Слоганы

Одна тема проходит связующей нитью сквозь весь наш длинный и извилистый тур от фейнмановских диаграмм до бурлящих вселенных – наша собственная Вселенная представляет собой необыкновенное место, которое, как кажется, было фантастически хорошо сконструировано для нашего существования. Эта уникальность не является тем, что можно приписать случайному стечению обстоятельств. Это слишком маловероятно. Такое явное совпадение взывает к объяснению.

Чрезвычайно популярным не только среди широкой публики, но и среди многих учёных является объяснение, что некий «суперархитектор» создал Вселенную с определённым благожелательным замыслом. Сторонники этой точки зрения – разумного замысла – утверждают, что он вполне научно и идеально согласуется со всеми космологическими и биологическими фактами. Разумный демиург не только выбрал для своего замысла отличные Законы Физики, но также направил биологическую эволюцию, проведя её в обход тупиковых ветвей от бактерий до человека разумного. Но это объяснение, будучи эмоционально успокаивающим, является интеллектуально неудовлетворительным. Оно оставляет без ответа вопросы, кто создал самого демиурга, какой механизм использовал демиург для вмешательства в ход эволюции, нарушает ли демиург Законы Физики для достижения своих целей, подчиняется ли демиург законам квантовой механики?

Сто пятьдесят лет назад Чарльз Дарвин предложил для науки о жизни ответ, который стал краеугольным камнем современной биологии, – механизм, который не требует ни цели, ни демиурга. Случайные мутации в сочетании с конкуренцией за возможность воспроизводства объясняют всё разнообразие видов, которые в конечном итоге заполнили все экологические ниши, включая существ, которые выживают благодаря своему остроумию. Но физика, астрономия и космология пока не могут похвастаться такими успехами. Дарвинизм может объяснить возникновение человеческого мозга, но уникальность Законов Физики по-прежнему остаётся загадкой. Эта головоломка, возможно, сдастся, наконец, под напором физической теории, сыграющей в физике такую же роль, какую теория Дарвина сыграла в биологии.

Физические механизмы, о которых я рассказывал в этой книге, имеют два ключевых сходства с теорией Дарвина.

Первое из них – это огромный ландшафт возможностей – чрезвычайно богатое пространство всевозможных конструкций. Существует более 10 000 видов птиц, более 300 000 видов жуков и миллионы видов бактерий. Общее же число возможных видов, несомненно, неизмеримо больше.

Является ли число возможных биологических видов настолько же большим, как и число различных вариантов вселенных? Это зависит от того, что именно мы подразумеваем под возможным биологическим видом. Одним из способов определения числа всех возможных биологических конструкций является перебор всех вариантов последовательностей пар нуклеотидов в большой молекуле ДНК. Молекула человеческой ДНК содержит около миллиарда пар оснований, и для каждого основания есть четыре варианта. Общее количество возможных вариантов оказывается невероятно огромным: 41 000 000 000 (или порядка 10600 000 000). Это намного больше, чем 10500 – количество всевозможных долин Ландшафта, подсчитанное струнными теоретиками путём перебора всех возможных конфигураций потоков. Но разумеется, большинство из вариантов последовательностей ДНК оказываются нежизнеспособными. С другой стороны, большинство из 10500 вакуумов также являются непригодными для жизни. В любом случае оба числа настолько велики, что они выходят далеко за пределы наших способностей их представить.

Второе ключевое сходство – это сверхплодотворный механизм воплощения всевозможных «чертежей» «в железе». Дарвиновский механизм включает репликацию, конкуренцию и задействует для своей работы огромное количество атомов углерода, кислорода и водорода. Механизм вечной инфляции также предполагает экспоненциальную репликацию, но – объёма пространства.

Как говорилось в главе 11, процесс заселения ландшафта имеет сходство с биологической эволюцией, но также он имеет по крайней мере два очень больших различия. Первое из них обсуждалось в главе 11. Биологическая эволюция вдоль заданной филы состоит из последовательности практически неотличимых друг от друга индивидуальных организмов, и чтобы обнаружить отличие, необходимо сравнивать организмы, отстоящие друг от друга на много поколений. Но если мы проследим генеалогию нескольких поколений пузырей, то мы в каждом следующем поколении будем обнаруживать большие отличия в энергии вакуума, массах частиц и прочих Законах Физики. Если бы дети так сильно отличались от родителей, это сделало бы дарвиновскую эволюцию невозможной. Количество монстров-мутантов будет настолько превосходить численность относительно нормального потомства, что выживание их вида в условиях конкуренции с другими видами станет невозможным.

Как же тогда Мегаверсум оказался настолько богат разными «видами», если биологическая эволюция в тех же условиях заходит в тупик? Ответ лежит во втором большом различии между двумя видами эволюции: различные карманные вселенные не конкурируют между собой за место под солнцем и за пищевые ресурсы. Было бы интересно посмотреть на воображаемый мир, в котором биологическая эволюция происходит в среде, где ресурсы настолько неограниченны, что у организмов нет необходимости вести борьбу за существование. Возникнет ли в таком мире разумная жизнь? В большинстве моделей дарвиновской эволюции борьба за существование является ключевым фактором. Что произошло бы без неё? Рассмотрим частный случай: последний шаг в развитии нашего собственного вида. Около 100 000 лет назад кроманьонцы боролись за существование с неандертальцами. Кроманьонцы выиграли, потому что они были умнее, крупнее, сильнее и сексуальнее. Это привело к улучшению генофонда человеческой расы. Но предположим, что ресурсы были бы неограниченными и что сексуальность не была бы необходима для размножения. Привело бы это к уменьшению популяции кроманьонцев? Конечно нет. Все, кто выжил в условиях борьбы за существование, тем более выжили бы в условиях её отсутствия. Более того, многие из тех, кто в этой борьбе погиб, тоже выжили бы. Но и неандертальцев тоже было бы больше. Больше было бы и тех и других и, возможно, ещё и каких-нибудь третьих. Все население возрастало бы экспоненциально. В мире неограниченных ресурсов отсутствие конкуренции не замедлило бы эволюцию разумных существ, но привело бы к тому, что их оказалось бы больше одного вида.

Есть и третий, после физики и биологии, контекст, в котором те же две составляющих – Ландшафт и Мегаверсум – крайне важны для нашего существования. В природе существует огромное разнообразие типов планет и других астрономических тел: горячие звёзды, холодные астероиды, гигантские пылевые облака и много чего ещё. И снова оказывается, что ландшафт возможностей в этом контексте чрезвычайно богат. Одни только различия в расстоянии от родительской звезды до планеты дают нам большое разнообразие природных условий. Что касается механизма, который превращает возможность в актуальность – Большого взрыва и последующей гравитационной конденсации вещества, – то только в наблюдаемой части Вселенной этот механизм, по самой пессимистичной оценке, должен был создать порядка 1022 планет.

В каждом из этих случаев ответ на вопрос о нашем собственном существовании точно такой же: имеется много существ/планет/карманных вселенных и многих других возможных конструкций. Количество их настолько велико, что чисто статистически некоторые из них окажутся жизнеспособными/приспособленными для возникновения разумной жизни. Большинство же существ/вселенных/небесных тел нежизнеспособны/непригодны для жизни. Нам просто повезло. Это и есть смысл антропного принципа. Нет никакой магии, нет никакого сверхъестественного демиурга, а есть лишь самый обычный закон больших чисел.

Мой друг Стив Шенкер – один из мудрейших физиков, который я знаю, любит формулировать свои тезисы в виде слоганов. Он считает, что если важная серьёзная идея не может быть сформулирована в виде пары коротких фраз, то такая идея не заслуживает внимания. Мне кажется, что он прав. Вот некоторые примеры слоганов, иллюстрирующих развитие физики.

Ньютоновская механика:

Специальная теория относительности:

и

Общая теория относительности:

Квантовая механика:

Космология:

Однако лучший научный слоган, который я знаю, относится не к физике и космологии, а к теории эволюции:

Естественный отбор

Если бы мне пришлось сократить эту книгу до единственного слогана, то, на мой взгляд, он выражал бы единый принцип, общий для биологии и космологии:

Ландшафт возможностей населён актуальностями Мегаверсума

Между биологическим или планетарным механизмом эволюции и вечной инфляцией, заселяющей Ландшафт, существует одно досадное различие. В первых двух случаях мы можем непосредственно наблюдать результаты работы эволюционного механизма. Мы воочию видим разнообразие биологических форм и типов планет вокруг нас.

Хотя астрономические объекты наблюдать сложнее, чем изучать животный и растительный мир на Земле, но даже без помощи телескопа мы можем увидеть планеты, Луну и звёзды. Однако гигантское море карманных вселенных, созданных вечной инфляцией, скрывает от нас космический горизонт событий. Проблема, конечно, в эйнштейновском ограничении максимальной скорости. Если бы мы смогли превысить скорость света, то не было бы никаких проблем с путешествиями в далёкие карманные вселенные и обратно. Мы могли бы избороздить весь Мегаверсум. Но увы, просверливание червоточины сквозь пространство к далёкой карманной вселенной – это фантазия, которая нарушает фундаментальные физические принципы. Существование других карманных вселенных остаётся и всегда будет оставаться гипотезой, но эта гипотеза обладает огромной силой в отношении объяснения устройства мира.

 

Консенсус?

Если идеи, которые я изложил, окажутся верными, то наш взгляд на мир расширится далеко за пределы глухой провинции у бескрайнего моря Мегаверсума к чему-то гораздо более грандиозному: большему пространству, большему промежутку времени и бо́льшим возможностям. Если всё правильно, то сколько времени займёт сдвиг парадигмы? Как пресловутый лес, смены парадигм лучше всего видны на расстоянии. В периоды смены принципов, на которые мы опираемся, всё выглядит слишком запутанным, вода становится слишком мутной, чтобы позволить ясно увидеть какую-либо перспективу хотя бы на несколько лет вперёд. В такие времена наблюдателю со стороны практически невозможно понять, чьи идеи заслуживают внимания, а чьи – пустые спекуляции. Это трудно предвидеть даже инсайдерам. Цель написания этой книги не в том, чтобы убедить читателя в правильности моей собственной точки зрения. Научными аргументами лучше всего сражаться на страницах научных журналов и в семинарских аудиториях. Моя цель в том, чтобы показать расстановку сил в войне новых идей, чтобы обычные читатели смогли почувствовать свою сопричастность к этой войне, посмотреть на неё изнутри, ощутить азарт сражения и радость открытия так, как ощущаю их я.

Меня всегда захватывали истории появления и развития новых научных идей. Я пытался понять, как великие мастера прошлого приходили к своим открытиям. Однако не все великие мастера мертвы. В настоящее время – прямо сейчас, в это чудесное время – живут и творят такие титаны, как Вайнберг, Виттен, ‘т Хоофт, Полчински, Малдасена, Линде, Виленкин… я счастлив, что могу наблюдать, как они сражаются за новую парадигму. Поскольку я сам являюсь непосредственным участником этих событий, я возьму на себя смелость воссоздать их образ мыслей. Начнём с физиков.

Стивен Вайнберг, пожалуй, более, чем любой другой физик, ответствен за открытие Стандартной модели физики элементарных частиц. Стив не склонен к скоропалительным суждениям, и я уверен, что он перепроверяет все доказательства так тщательно, как никто другой. Из его трудов и лекций очевидно, что он хотя и не принимает как истину в последней инстанции, но, по крайней мере, не отвергает возможность того, что некоторые из вариантов антропного принципа могут играть определённую роль в предопределении Законов Физики. Тем не менее отдельные его работы выражают сожаление о «потерянной парадигме». В своей книге «Мечты об окончательной теории», изданной в 1992 году, он пишет:

«Если благоприятное для нас значение космологической постоянной подтверждается наблюдениями, то будет разумно сделать вывод, что наше собственное существование играет важную роль в объяснении, почему Вселенная является именно такой. Чего бы это ни стоило, я надеюсь, что это не так. Как физик я хотел бы видеть, что мы способны делать точные предсказания, а не расплывчатые заявления о том, что некоторые константы должны лежать в диапазоне, который является более или менее благоприятным для жизни. Я надеюсь, что теория струн действительно послужит основой для окончательной теории и что эта теория будет обладать достаточной предсказательной силой, чтобы дать нам возможность вычислить значения всех фундаментальных констант, включая космологическую постоянную. Будущее покажет…»

Вайнберг написал эти слова под впечатлением открытия гетеротической теории струн и компактификации многообразий Калаби – Яу. Но теперь он знает, что теория струн не оправдала надежд на то, что она станет альтернативой антропному принципу.

Эд Виттен – один из величайших математиков в мире и пифагореец в душе. Он построил свою карьеру вокруг элегантной и красивой математики, которая родилась из теории струн. Его способность погружаться в математические глубины захватывает дух. Неудивительно, что он относится к тем моим коллегам, которые упорно не желают отказываться от поиска той магической математической «серебряной пули», которая убьёт произвол в выборе Законов Физики и свойств элементарных частиц. Если такая пуля и существует, то именно Виттен имеет все шансы её найти. Долгое время его поиски не имели успеха, несмотря на то что он сделал больше, чем кто-либо другой для создания математических инструментов, необходимых при изучении Ландшафта. Я не думаю, что ему вообще нравится текущее направление развития теории.

Если Виттен являлся движущей силой развития математического аппарата теории струн, то Джо Полчински был главным поставщиком «деталей» для этой гигантской машины. Вместе с блестящим молодым стэнфордским физиком Рафаэлем Буссо Джо предпринял первую попытку собрать из этих деталей модель Ландшафта с огромным дискретуумом вакуумов. В многих дискуссиях Джо настаивал, что альтернативы населённому Ландшафту не существует.

Мой старый товарищ по оружию Герард ‘т Хоофт всегда был настроен скептически в отношении претензий теории струн на роль «теории всего» и недавно написал мне:

На самом деле никто не может мне объяснить, что означает утверждение, будто теория струн содержит 10100 вакуумных стран. Прежде чем сделать такое утверждение, вы должны сначала дать строгое определение, что такое теория струн, а у нас нет такого определения. И сколько вообще этих вакуумов: 10500 или 1010 000 000 000? Поскольку такие «детали» все ещё висят в воздухе, я чувствую себя крайне неудобно перед антропными аргументами.

Однако я не исключаю некоторые варианты антропного принципа. В конце концов, мы живём на Земле, не на Марсе, Венере или Юпитере именно по антропным соображениям. Это, однако, заставляет меня отличать дискретный антр. принцип от континуального. Дискретный значит что-то вроде: постоянная тонкой структуры является обратным значением целого числа и равна 1/137, что требует поправок высших порядков. Континуальный означает, что эта константа равна 1/137,018945693459823497634978634913498724082734… и т. д., и все эти десятичные знаки определяются антр. принц. Я считаю это неприемлемым. Теория струн, как мне представляется, утверждает, что первые 500 десятичных знаков имеют антропное происхождение, а остальные – математическое. Я думаю, что слишком рано делать такие предположения».

Нужно уточнить, что понимает ‘т Хоофт под дискретным антропным принципом. Это означает, что Ландшафт не должен содержать так много вакуумов, чтобы среди них можно было найти вакуум с любыми значениями физических констант. Иными словами, он готов частично примириться с антропными рассуждениями, если число различных возможностей окажется конечным.

Стоит отметить, что, несмотря на свой скептицизм, Герард не исключает антропного объяснения, но вместе с тем не предлагает и альтернативного объяснения для факта невероятно тонкой настройки космологической постоянной. Однако в своём скептическом отношении к окончательной «теории всего», я думаю, он прав.

Том Бэнкс – ещё один скептик. Том – один из глубоких мыслителей в мире физики, и его разум всегда открыт для новых идей. Его скептицизм, как и скептицизм ‘т Хоофта, относится не столько к антропной аргументации, сколько к определению Ландшафта, который даёт теория струн. Тому принадлежит множество важных вкладов в эту теорию, но по его же собственному мнению, Ландшафт метастабильного вакуума может оказаться иллюзией. Том утверждает, что теория струн и теория вечной инфляции ещё недостаточно хорошо поняты, чтобы с уверенностью утверждать, что Ландшафт – это математическая реальность. Если критерием является определённость, то я согласен с ним. Но Бэнкс чувствует, что математика теории струн может оказаться не только неполной, но и вообще ошибочной. Пока что его аргументы не выглядят убедительными, но они вызывают серьёзную озабоченность.

А что думают обо всём этом более молодые физики? В целом они открыты новым идеям. Хуан Малдасена в свои тридцать с небольшим лет оказал огромное влияние на всех теоретиков своего поколения. Его работа превратила голографический принцип в практический инструмент. Как и Виттена, его часто посещают великие математические озарения; как и Полчински, он оказал огромное влияние на физическую интерпретацию математических результатов. Относительно Ландшафта он однажды бросил: «Я надеюсь, что это неправда». Подобно Виттену, Малдасена надеется на единственность как Законов Физики, так и истории Вселенной. Однако же, когда я спросил его, питает ли он какую-нибудь надежду на то, что на самом деле никакого Ландшафта не существует, он ответил: «Нет. Боюсь, что нет».

В Стэнфордском университете – моём доме – существует более-менее единодушное, по крайней мере среди физиков, мнение, что Ландшафт существует. Мы должны стать его исследователями, научиться ориентироваться в нём и составить его карту. У нас есть два тридцатилетних лидера: Шамит Качру и Ева Сильверстейн. Оба заняты конструированием гор, долин и обрывов на Ландшафте. Если бы я захотел назвать кого-нибудь современным Рубом Голдбергом, то это, безусловно, был бы Шамит. Только не поймите меня неправильно. Я не хочу сказать, что он делает плохие машины. Напротив, Шамит лучше, чем кто-либо другой из струнных теоретиков, умеет приспосабливать сложные детали этих машин для конструирования моделей Ландшафта. А антропный принцип? Он идёт в комплекте с Ландшафтом. Он составляет неотъемлемую часть рабочей предпосылки для всех моих ближайших коллег в Стэнфордском университете, как молодых, так и старых.

На другом конце страны, в Нью-Джерси, находятся два величайших в мире центра теоретической физики: Принстон с его физическим факультетом и Институт перспективных исследований. Однако в двадцати милях к северу, в Нью-Брансуике, есть ещё один локомотив, тянущий физику вперёд, – Ратгерский университет. Одной из его достопримечательностей является звезда по имени Майкл Дуглас. Как и Виттен, Дуглас и гениальный физик, и серьёзный математик. Но для нашей истории гораздо более важно, что он ещё и отважный исследователь Ландшафта. Дуглас поставил перед собой задачу изучения статистики Ландшафта, вместо того чтобы исследовать свойства отдельных долин. Он использует методы математической статистики, чтобы оценить, какие свойства являются наиболее распространёнными, какой процент долин лежит на той или иной высоте, какова вероятность, что долина, экспоненциально стремящаяся к суперсимметричному состоянию, окажется пригодной для жизни. Несмотря на то что он предпочитает использовать термин «статистический подход» вместо термина «антропный принцип», справедливо будет сказать, что Дуглас находится на антропной стороне баррикады.

Космологи разделились по этому вопросу поровну. Джим Пиблс из Принстонского университета – патриарх американской космологии. Пиблс был пионером в каждом космологическом открытии. Ещё в конце 1980-х годов он одним из первых начал подозревать, что космологические данные свидетельствуют о существовании чего-то вроде ненулевой космологической постоянной. Напоминаю: это было в конце 1980-х годов! Обсуждая с ним космологические проблемы, я был поражён невинным признанием, что, по его мнению, многие черты Вселенной можно объяснить только с привлечением антропной аргументации.

Сэр Мартин Рис, британский Королевский астроном, – одержимый энтузиаст Ландшафта, Мегаверсума и антропного принципа. Мартин – ведущий европейский космолог и астрофизик. Многие аргументы, которые я использовал для обоснования антропного принципа, я узнал от него и от американского космолога Макса Тегмарка.

С Андреем Линде и Александром Виленкиным вы уже знакомы. Подобно Рису и Тегмарку, они принадлежат к лагерю сторонников антропного принципа. Линде так выразил своё мнение:

«Те, кому не нравится антропный принцип, обычно отрицают его с порога. Разумеется, этот принцип не является универсальным оружием – это просто полезный инструмент, позволяющий сосредоточиться на фундаментальных физических проблемах, которые могут иметь антропное решение, отделяя их от всего остального. Вы можете любить или ненавидеть антропный принцип, но я уверен, что в конечном итоге вам придётся его использовать».

Стивен Хокинг работает вместе с Мартином Рисом в Кембридже, но у меня нет сомнений, что его взгляды очень во многом совпадают с моими. Вот цитата из лекции, прочитанной Стивеном в 1999 году:

«Я буду описывать то, что я вижу в качестве возможной основы для квантовой космологии на базе М-теории. Я не стану ограничивать себя в предположениях и рискну утверждать, что антропный принцип имеет важное значение при выборе решения для представления нашей Вселенной из всего зоопарка решений, допускаемых М-теорией».

Это говорит о том, что мы со Стивеном наконец-то хоть в чём-то сошлись во мнениях.

Но не все космологи с этим согласны. Среди наиболее известных в этой области американцев Пол Стейнхардт и Дэвид Спергель являются наиболее яростными противниками всего, что даже отдалённо пахнет антропным принципом. Стейнхардт, чьи чувства я более или менее представляю, утверждает, что он ненавидит Ландшафт и надеется, что эту гипотезу рано или поздно опровергнут. Но, как и Малдасена, он пока что не может придумать, как это сделать. Вот выдержка из работы Стейнхардта:

«Я надеюсь, что в ближайшие десятилетия физики, наконец, воплотят в жизнь свою мечту о подлинно научной “окончательной теории” и будут оглядываться на нынешнее повальное увлечение антропным принципом как на безумие тысячелетия».

Отец инфляционной теории Алан Гут сохраняет нейтралитет. Алан истово верует в густонаселенный Ландшафт. Именно он придумал термин «карманная вселенная». Но не будучи струнным теоретиком, он всё же благожелательно относится к идее дискретуума. Другими словами, он менее привержен идее о том, что количество возможных вакуумных состояний экспоненциально велико. Что касается антропного принципа, то я подозреваю, что Алан – латентный верующий. Всякий раз, когда я его вижу, я спрашиваю, не определился ли он, на что он неизменно отвечает, что пока нет.

Напоследок я припас своего старого друга Дэвида Гросса. Мы с Дэвидом дружим больше сорока лет. Всё это время мы сражались друг с другом, споря до хрипоты, иногда отчаянно, но всегда с большим уважением к мнению друг друга. Я думаю, что когда мы станем двумя старыми несносными ворчунами, мы всё равно будем продолжать сражаться. Возможно, мы уже ими стали.

Без сомнения, Дэвид – один из величайших физиков в мире. Он наиболее известен как один из главных архитекторов квантовой хромодинамики, то есть динамики адронов. Но важно, что он уже давно занимает должность одного из наиболее высокопоставленных генералов в армии струнных теоретиков. В середине 1980-х, будучи профессором в Принстоне, Дэвид со своими коллегами Джеффом Харви, Эмилем Мартинеком и Райаном Ромом произвёл сенсацию, обнаружив гетеротическую теорию струн. Эта новая версия теории струн выглядела гораздо больше похожей на реальный мир элементарных частиц, чем любая предыдущая. Кроме того, в то же самое время Эд Виттен со своими сотрудниками Энди Строминджером, Гари Горовицем и Филиппом Канделасом изобрёл компактификацию многообразий Калаби – Яу (и тоже в Принстоне). Когда эти работы были обнародованы, мир физики ахнул: результаты выглядели настолько реалистичными, что казалось, лишь несколько месяцев отделяет нас от окончательной, завершённой, уникальной теории элементарных частиц. Мир затаил дыхание… и не дышит до сих пор… и уже посинел.

Судьба оказалась зла. Чем больше проходит времени, тем яснее становится, что энтузиазм принстонцев в лучшем случае оказался преждевременным. Но Дэвид никогда не лелеял надежды, что серебряная пуля, которая оправдает этот энтузиазм, будет быстро обнаружена. Что же касается меня, то я подозреваю, что в конце концов гетеротическая теория станет очень важной деталью для гигантской машины Руба Голдберга. Её сходство со Стандартной моделью впечатляет. Но я также думаю, что это не единственная необходимая деталь. Потоки, браны, сингулярности и другие фишки способны расширить гетеротический ландшафт до таких пределов, которые авторы первоначальной теории даже не представляли.

Гросс, как я уже сказал, является очень грозным интеллектуальным противником, и он очень резко возражает против антропного принципа. Хотя его резоны скорее идеологические, нежели научные, их следует обсудить. Его беспокоит аналогия с религией. Кто знает, не сотворён ли этот мир богом? Но учёные – реальные учёные – должны противостоять искушению объяснить природные явления, включая возникновение Вселенной, божественным вмешательством. Почему? Потому что как учёные мы понимаем, что у человека существует настоятельная необходимость в вере, необходимость в утешениях, которые легко затмевают разумные суждения. Очень легко попасть в соблазнительную ловушку утешительной сказки. Поэтому мы сопротивляемся всем попыткам объяснения мира, основанным на чём-либо ином, кроме Законов Физики, математики и вероятности.

Наряду со многими теоретиками Дэвид выражает опасение, что антропный принцип, как и религия, – слишком утешительное и простое объяснение. Он опасается, что если мы приоткроем дверь, даже самую щёлочку для антропного принципа, он совратит нас склониться к ложным убеждениям и отвратит будущих молодых физиков от поиска серебряной пули. Дэвид красноречиво цитирует обращение Уинстона Черчилля к ученикам его школы: «Никогда, никогда, никогда, никогда, никогда, никогда, никогда, никогда не сдавайтесь! Никогда не сдавайтесь! Никогда не сдавайтесь! Никогда не сдавайтесь!» Но бранное поле физики усеяно трупами упрямых стариков, которые не знали, когда надо сдаваться.

Озабоченность представляется мне вполне реальной, и я не хочу преуменьшать опасность, однако я всё же думаю, что всё не так плохо, как он утверждает. Я ни секунды не беспокоюсь о подрастающем поколении – им хватит моральной силы, чтобы избежать ловушки. Если идея населённого ландшафта окажется ошибочной, я уверен, они поймут это. Если аргументы, указывающие на существование 10500 вакуумов, неверны, молодые струнные теоретики и математики обнаружат это. Если теория струн ошибочна, возможно, из-за математической несогласованности, она останется валяться на обочине дороги, и вместе с ней будет выброшен и ландшафт теории струн. Но если это произойдёт, то мы останемся вообще без каких-либо рациональных объяснений иллюзии разумного замысла Вселенной.

С другой стороны, если теория струн верна и Ландшафт существует, мы сможем обосновать существование нашей долины при помощи новых и усовершенствованных математических или физических методов. Мы сможем узнать об особенностях соседних мест и изучить инфляционный обрыв, с которого мы упали. И наконец, мы сможем доказать, что строгое применение математических методов приведёт нас к открытию других долин, мало отличающихся от нашей, за исключением непригодной для жизни среды обитания. Дэвид не отвергает мои аргументы, но уклоняется от прямого ответа, потому что такой ответ противоречил бы нашим ранним надеждам, что тоже является своего рода религией.

У Гросса есть ещё один аргумент. Он спрашивает: «Разве не слишком высокомерно полагать, что жизнь может быть только такой, какой мы её знаем – на основе углерода, воды и т. д. Откуда мы знаем, что в совершенно чуждых нам условиях не может существовать совершенно чуждая нам жизнь?» Кто готов утверждать, что некоторые странные формы жизни не могли бы развиваться в межзвёздном пространстве, в космической пыли, в облаках межзвёздного газа, в атмосферах планет-гигантов, таких как Юпитер или Сатурн? В этом случае ихтиотропный принцип осетрологов потеряет всякий смысл. Аргумент, что для существования жизни необходима жидкая вода и узкий диапазон температуры, также окажется несостоятельным. Рассуждая в том же ключе, мы придём к выводу, что если жизнь может возникнуть без галактик, то и вайнберговское объяснение малости космологической постоянной тоже потеряет свою силу.

Я думаю, что правильный ответ на эту критику состоит в том, что существует некое предположение, являющееся неотъемлемой частью антропного принципа, которое гласит: «Жизнь – это чрезвычайно деликатная вещь, и она требует особых условий». Я не могу этого доказать. Это просто часть гипотезы, наделяющей антропный принцип объяснительной силой. Возможно, мы должны перевернуть аргумент и сказать, что успех предсказания Вайнберга подкрепляет гипотезу о том, что существование разумной жизни требует наличия галактик или по крайней мере звёзд и планет.

Какова альтернатива парадигмы населённого ландшафта? Моё мнение состоит в том, что как только мы устраняем сверхъестественного агента, не остаётся ничего, что могло бы объяснить удивительно тонкие настройки природы. Населённый ландшафт играет в физике и космологии ту же роль, которую дарвиновская эволюция играет в биологии. Случайные ошибки копирования и естественный отбор являются единственным естественным объяснением, как такой сложный орган, как глаз, может сформироваться из обычной материи. Населённый ландшафт и богатое разнообразие, предсказываемое теорией струн, – единственный естественное объяснение экстраординарных уникальных свойств нашей Вселенной, создающих условия для нашего существования.

Самое время остановиться и ответить на потенциальные критические замечания, которые могут быть высказаны в адрес этой книги, а именно на упрёки в однобоком освещении проблемы. Где альтернативные объяснения значения космологической постоянной? Разве не существует аргументов против существования гигантского ландшафта? Как насчёт других теорий помимо теории струн?

Заверяю вас, что я не игнорирую альтернативных точек зрения. На протяжении десятилетий многие люди, включая самых прославленных физиков, пытались объяснить, почему космологическая постоянная должна иметь очень малое или даже нулевое значение. Подавляющее большинство учёных сходится на том, что ни одна из этих попыток не увенчалась успехом. Мне просто нечего сообщить вам на этот счёт.

Что касается серьёзных математических попыток развенчать Ландшафт, то я знаю только одну. Автор этой попытки является блестящим математическим физиком, и, насколько я знаю, он по-прежнему уверен в справедливости своей критики ККЛТ-конструкции. Его возражение базируется на чрезвычайно сложном математическом исследовании особых многообразий Калаби – Яу. Некоторые авторы возражали против его критики, но теперь это уже несущественно. Майкл Дуглас и его коллеги обнаружили множество примеров, позволяющих избежать означенной проблемы. Тем не менее ради честной оценки ситуации мы не должны исключать возможность того, что Ландшафт является всего лишь математическим миражом.

Наконец, относительно альтернатив теории струн. Есть одна популярная теория, называемая «петлевой гравитацией». Это очень интересная теория, но она далеко не так хорошо развита, как теория струн. В любом случае, даже самый известный приверженец петлевой гравитации Ли Смолин считает, что она не является истинной альтернативой теории струн, а может рассматриваться лишь как альтернативная формулировка теории струн.

Как бы мне ни хотелось сбалансировать книгу, приводя альтернативные объяснения, мне попросту не удаётся их найти. Противные аргументы сводятся либо к органическому неприятию антропного принципа («я его ненавижу»), либо к идеологическим возражениям («он неприемлем»).

Два специфических аргумента стали предметом вышедших недавно научно-популярных книг хорошо известных физиков, но оба, на мой взгляд, потерпели неудачу. Я займу ещё немного вашего времени, чтобы объяснить почему.

 

Законы природы эмерджентны

Это любимая идея некоторых теоретиков, занимающихся конденсированными средами. Они изучают свойства материалов, состоящих из простых атомов и молекул. Главным адептом этой идеи является нобелевский лауреат Роберт Лафлин. По сути – это старая теория эфира, которая утверждает, что вакуум представляет собой некую специфичную материальную среду. Идея эфира была популярна в XIX веке, когда Фарадей и Максвелл пытались представлять электромагнитные поля как напряжения в эфире. Но после Эйнштейна эфир снискал себе дурную славу. Лафлин захотел воскресить старую идею, представляя Вселенную заполненной веществом со свойствами, аналогичными свойствам сверхтекучего гелия. Сверхтекучий гелий является примером вещества с особыми, эмерджентными, то есть «возникающими», свойствами, которые проявляются (возникают), только когда огромное количество атомов собираются вместе в макроскопических количествах. Жидкий гелий в сверхтекучем состоянии проявляет удивительные свойства. Например, он может течь без какого-либо трения. Сверхтекучая жидкость во многом похожа на хиггсовскую жидкость, которая заполняет пространство и придаёт частицам их свойства. В двух словах теорию Лафлина можно выразить, сказав, что мы живём в пространстве, заполненном подобной субстанцией. Если говорить более строго, то само пространство является такой эмерджентной субстанцией! Помимо этого, Лафлин считает, что гравитация – это тоже эмерджентное явление.

Одной из основных тем современной физики является исследование иерархической структуры эмерджентных явлений. Начнём с небольшого набора атомов или молекул. Собираясь в более крупную структуру, они образуют объект с новыми свойствами, которыми не обладали исходные кирпичики. Изучив свойства этого нового объекта, вы можете забыть, откуда он взялся, и начать строить из подобных ему объектов более крупные и сложные структуры. И снова у этих структур появятся новые свойства, отсутствовавшие у их составляющих. Вы снова можете забыть про свойства исходных объектов и т. д., пока не придёте к свойствам конечного макроскопического объекта. Одним из наиболее интересных свойств таких систем является то, что не имеет значения, с каких микроскопических структур вы начинаете, – это не приводит ни к каким различиям в эмерджентном поведении: свойства конечного макроскопического объекта всегда получаются одними и теми же, в определённых пределах. По этой причине Лафлин считает, что нет никакого смысла в поисках фундаментальных объектов природы, поскольку варьирование свойств таких основных объектов в широком диапазоне всё равно приведёт к тем же самым Законам Физики – гравитации, Стандартной модели и т. д. – в нашем крупномасштабном мире. В реальных макроскопических материалах существуют различные виды возбуждений, напоминающие по поведению элементарные частицы, но в действительности являющиеся коллективными движениями атомов. Звуковые волны, например, ведут себя так, как будто они состоят из квантов, называемых фононами. И поведение этих фононов подозрительно похоже на поведение фотонов и других частиц.

Есть две серьёзные причины сомневаться в том, что законы природы похожи на законы эмерджентных материалов. Первая причина заключается в особых свойствах гравитации. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим свойства сверхтекучего гелия, хотя с таким же успехом можно было бы взять и любой другой материал. Со сверхтекучей жидкостью происходит множество интересных вещей. В ней могут существовать волны, ведущие себя как скалярные поля, и объекты, называемые вихрями, похожие на торнадо, движущиеся сквозь жидкость. Но в ней нет ничего такого, что напоминало бы чёрные дыры. И это не случайно. Чёрные дыры обязаны своим существованием гравитационным силам, которые описываются общей теорией относительности Эйнштейна. Но ни один материал не обладает свойствами, которыми общая теория относительности наделяет пространство-время. Для этого есть очень веские причины. В главе 10, где я описывал чёрные дыры, мы увидели, что свойства мира, в котором царствуют квантовая механика и теория относительности, радикально отличаются от всего, что может породить одно только обычное вещество. В частности, голографический принцип – опора современного понимания чёрных дыр – кажется, требует совершенно нового поведения вещества, которого я не видел в известных мне конденсированных средах. На самом деле это признаёт и Лафлин, только он использует данный факт в пользу точки зрения, согласно которой чёрные дыры не могут иметь многих приписываемых им свойств, например хокинговского излучения, в то время как большинство физиков не сомневается в реальности последнего.

Но предположим, что кто-то сумел найти эмерджентную систему, обладающую именно такими свойствами, которые нам нужны. Свойства эмерджентных систем не очень гибкие. Такие системы могут иметь в своей основе очень широкое разнообразие исходных микроскопических состояний, но, как я уже говорил, эти микросостояния приводят к достаточно ограниченному набору конечных макросостояний. Например, вы можете в достаточно широких пределах варьировать структуру и свойства атома гелия, но это не приведёт к каким-либо существенным отличиям в свойствах образуемой гелием сверхтекучей жидкости. Важно лишь, чтобы атомы гелия вели себя как соударяющиеся и отскакивающие друг от друга бильярдные шары. Нечувствительность к начальному микроскопическому состоянию – это та вещь, за которую физики больше всего любят эмерджентные системы. Но вероятность того, что одно из небольшого числа возможных фиксированных конечных состояний окажется состоянием с невероятно тонко настроенными свойствами нашего мира, крайне незначительна. В частности, Лафлин так и не даёт объяснения наиболее драматической из этих прекрасных настроек – небольшой, но ненулевой космологической постоянной. Идея построения Вселенной на основе эмерджентных свойств конденсированных сред представляется мне тупиковой.

 

Естественный отбор и Вселенная

Ли Смолин попытался объяснить специфические свойства мира – антропные свойства – путём прямой аналогии с дарвиновской эволюцией, причём не в общем вероятностном смысле, как в моей аналогии, которую я приводил ранее, а в гораздо более узком, конкретном смысле. К чести Смолина, он почти сразу же понял, что теория струн способна описать гигантский набор возможных вселенных, и попытался использовать этот факт при построении своей теории. Хотя я и чувствую, что идея Смолина ведёт в тупик, я считаю, что его титанические усилия заслуживают более серьёзного анализа. Вот суть его теории.

В любой вселенной, в которой есть гравитация, могут образовываться чёрные дыры. Смолин рассуждает о том, что может происходить внутри чёрных дыр, в частности в точке сингулярности. Он считает, на мой взгляд, совершенно безосновательно, что вместо коллапса пространства в точке сингулярности происходит воскрешение вселенной. Новые вселенные рождаются внутри чёрных дыр. Если это так, считает Смолин, то чёрные дыры формируются во вселенных, которые сами находятся внутри чёрных дыр, которые формируются во вселенных – и т. д., что приводит к эволюции в направлении максимальной приспособленности вселенных. Под приспособленностью Смолин понимает способность производить большое количество чёрных дыр и, таким образом, плодить многочисленное потомство. Затем Смолин предполагает, что наша Вселенная обладает наибольшей приспособленностью из всех возможных, то есть законы природы в нашем кармане таковы, что они приводят к максимально возможному количеству чёрных дыр. Из чего он заключает, что в антропном принципе нет никакой необходимости. Вселенная не приспособлена идеально для жизни, она идеально приспособлена для производства чёрных дыр.

Идея гениальна, но я не понимаю, что она объясняет. Мы сталкиваемся с двумя серьёзными проблемами. Во-первых, идея Смолина слишком похожа на дарвиновскую, и она требует, чтобы одно поколение отличалось от другого очень небольшими нарастающими изменениями. Как я уже отмечал ранее, модель, предлагаемая ландшафтом теории струн, работает прямо противоположным образом. В оправдание Смолина я должен сказать, что все наши знания о Ландшафте были получены уже после того, как он опубликовал свою теорию. В то время, когда Смолин разрабатывал свою теорию, рабочей парадигмой струнных теоретиков был плоский суперсимметричный регион ландшафта, где все изменения действительно происходят очень маленькими шажками.

Вторая проблема – космологическая, и она имеет очень мало общего с теорией струн. Нет никаких оснований полагать, что мы живём во вселенной, максимально приспособленной для производства чёрных дыр. Смолин приводит ряд аргументов, пытаясь доказать, что любые изменения законов природы в нашей Вселенной приведут к уменьшению количества образующихся в ней чёрных дыр, но я нахожу эти аргументы малоубедительными. В главе 5 я объяснял, что всё обстоит как раз наоборот и что это поистине чудо, что наша Вселенная катастрофически не наполнена чёрными дырами. Относительно небольшое увеличение неоднородности вещества на начальном этапе приведёт к тому, что всё вещество Вселенной сколлапсирует в чёрные дыры задолго до образования звёзд и галактик. Кроме того, увеличение масс элементарных частиц опять же приведёт к росту количества чёрных дыр, поскольку вещество будет более восприимчиво к гравитационному притяжению. На самом деле вопрос следует ставить по-другому: «Почему во Вселенной так мало чёрных дыр?» Ответ, который кажется мне наиболее естественным, заключается в том, что многие, может быть даже большинство карманных вселенных, имеют гораздо больше чёрных дыр, чем наша, но они представляют собой места со слишком неблагоприятными условиями, в которых жизнь не смогла сформироваться.

И вообще аргумент, что мы живём в мире, который максимально приспособлен для собственного воспроизведения, имеет, на мой взгляд, существенные недостатки. Пространство действительно воспроизводится – на этом зиждется хорошо изученный механизм инфляции, – но максимально приспособленная для воспроизводства вселенная не имеет ничего общего с нашим собственным миром. Наиболее приспособленная в смолинском смысле вселенная – это такая вселенная, которая наиболее быстро реплицирует сама себя, а для этого необходима большая космологическая постоянная. Но нет никакого соответствия между приспособленностью для воспроизведения и приспособленностью для поддержания разумной жизни. Наша Вселенная с её ультрамалой космологической постоянной и нехваткой чёрных дыр является очень малоприспособленной для репликации.

Вернувшись к аналогии с деревом жизни, мы увидим, что в биологии приспособленность к максимальной репродуктивности и приспособленность к мышлению тоже не пересекаются. Максимально приспособленными в этом смысле существами являются не люди, а бактерии.

Бактерии размножаются настолько быстро, что единственная клетка способна за 24 часа произвести более десяти триллионов потомков! По некоторым оценкам, общее количество бактерий на Земле составляет более чем тысячу миллиардов миллиардов миллиардов. Человек, возможно, в каких-то отношениях и более приспособлен, но только не в отношении воспроизводства. Мир, который способен поддерживать жизнь, также является очень приспособленным, но опять же, не в отношении его способности к воспроизводству.

Пойдём другим путём. Представьте себе Грегора Замзу в тот роковой день, когда он проснулся в облике гигантского таракана. Очнувшись от тумана сна, он спрашивает себя: «Что я за существо?» Следуя логике Смолина, ответ должен быть таким: «С большой вероятностью я должен принадлежать к классу существ, которые наиболее приспособлены для воспроизводства и поэтому наиболее распространены в природе. Следовательно, я – бактерия».

Но через несколько секунд отражение в зеркале покажет ему ложность первого предположения. Перефразируя Декарта, он может заключить: «Я мыслю, значит, я не бактерия. Я – какое-то особенное, замечательное существо с недюжинными умственными способностями. Я необычен. Я весьма далёк от критерия обычного». Мы так же ни секунды не сомневаемся в том, что мы не обычные, что мы не принадлежим к чему-то усреднённому. Мы не принадлежим к ветви Мегаверсума, которая наиболее приспособлена для воспроизведения. Мы принадлежим к ветви, которая может сказать: «Я мыслю, значит, космологическая константа должна быть очень мала».

Моя реакция на идеи Смолина была достаточно жёсткой. Но эта жёсткость относилась к конкретным техническим вопросам, а не к общей философии Смолина. Мне кажется, что Смолин заслуживает большого уважения за многие важные достижения. Смолин был первым, кто признал, что разнообразие вакуумов теории струн может играть важную позитивную роль в объяснении, почему мир такой, какой он есть. Он также был первым, кто попытался использовать это разнообразие для объяснения уникальных свойств нашего мира.

Но важнее всего, что он сформулировал насущный вопрос, требующий ответа: «Каким образом, используя самые глубокие и мощные идеи современной физики, можно дать подлинно научное объяснение кажущейся очевидности разумного замысла?» Он решительно выступил против предрассудков струнных теоретиков, и я думаю, что он был тогда более прав, чем они.

Как я уже неоднократно подчёркивал, мне не известны удовлетворительные объяснения особых свойств нашего кармана, кроме населённого ландшафта, объяснения, не требующие привлечения сверхъестественных сил. Но с нашим сегодняшним пониманием населённого ландшафта есть реальные проблемы, и некоторые из них весьма серьёзны. На мой взгляд, большая проблема состоит в том, как быть с вечной инфляцией – механизмом, который призван заселять ландшафт. Ни клонирование пространства, ни раздувание пузырей метастабильного вакуума серьёзными проблемами не являются. Оба этих явления основаны на наиболее надёжных принципах общей теории относительности и квантовой механики. Но никто не имеет чёткого понимания, как на основе этих явлений сделать какие-либо предсказания или хотя бы статистические предположения относительно нашей Вселенной.

Для Мегаверсума, заполненного бесконечными карманными вселенными, антропный принцип является эффективным инструментом отбора и исключения большинства из них из списка кандидатов на роль нашей Вселенной. Те вселенные, которые не допускают существования жизни, подобной нашей, могут быть брошены в мусорное ведро. Антропный принцип в такой формулировке обладает мощной объяснительной силой для ответов на вопросы типа: «Почему космологическая постоянная так мала?» Но большая часть полемики вокруг антропного принципа ставит на повестку дня более амбициозную идею: надежду на то, что он может заменить серебряную пулю в предсказании свойств всего окружающего мира.

Эти ожидания необоснованны. Нет никаких причин, по которым каждая особенность природы должны определяться возможностью существования жизни. Часть особенностей могут быть выведены из строгих математических рассуждений, некоторые – из антропного принципа, а некоторые представляют собой чистые случайности.

Как всегда, мир умных рыб (см. главу 6) является удобной аналогией для того, чтобы рассмотреть возможные перспективы.

Давайте посмотрим, как эти рыбы изучают свой мир.

Со временем осетрологам удалось убедить других рыб, что населённая ими планета вращается вокруг раскалённого светящегося ядерного реактора – звезды, дающей энергию для нагревания воды. Теперь вопрос, которым были одержимы их лучшие умы, предстал в совершенно новом свете. Понимая, что температура океана зависит от расстояния до звезды, они сформулировали новую головоломку: «Почему орбитальное расстояние нашей планеты от источника тепла так тонко настроено?» Но ответ осетрологов был тем же самым: «Вселенная велика. В ней много звёзд и планет, и какая-то очень малая часть этих планет совершенно случайно оказалась на благоприятном для существования жидкой воды и рыб расстоянии от своих звёзд».

Но некоторые фишики не удовлетворились таким ответом. Они справедливо заметили, что температура на поверхности планеты зависит не только от орбитального расстояния. Светимость звезды – интенсивность, с которой она излучает энергию, – тоже должна входить в уравнение. «Мы могли бы находиться вблизи небольшой тусклой звезды или вдалеке от яркого гиганта. Существует целый набор вариантов. Ихтиотропный принцип даёт здесь сбой. Он никоим образом не может объяснить, почему наша планета находится именно на таком, а не на другом расстоянии от звезды».

Но в намерения осетрологов никогда и не входило объяснение каждой особенности природы. Их утверждение, что Вселенная является достаточно большой, чтобы содержать очень широкий набор вариантов природных условий, остаётся в силе. Аргумент, что ихтиотропный принцип не может объяснить всё, – это лишь логическая уловка, придуманная фишиками для того, чтобы опровергнуть его.

Существует очень тесная параллель между этой историей и антропным принципом. Возьмём, например, космологическую постоянную и степень неоднородности ранней Вселенной. В главе 2 я рассказывал, как Вайнберг объясняет факт малости космологической постоянной. Если бы она была намного больше, то неоднородности, присутствующие в ранней Вселенной, не смогли бы превратиться в галактики. Но предположим, что исходная неоднородность была немного больше. В этом случае нас устроит и несколько большее значение космологической постоянной. Как и в случае орбитального расстояния и светимости звезды, есть целый набор взаимосвязанных значений космологической постоянной и степени неоднородности, приводящих к возникновению жизни или, по крайней мере, галактик. Антропный принцип сам по себе бессилен для выбора между этими парами значений. Некоторые физики готовы принять это в качестве аргумента против антропного принципа. Ещё раз повторю, что я расцениваю это как логическую уловку.

Вполне возможно, что осетрологи с фишиками сумели в конце концов перейти к более конструктивному диалогу. Для этого они пригласили астрофишиков – экспертов по образованию и эволюции звёзд. Эти учёные рыбы изучили процесс формирования звёзд из гигантских газовых облаков и, как и ожидалось, обнаружили, что образующиеся звёзды обладают очень широким диапазоном светимостей. Не имея возможности непосредственного измерения светимостей различных звёзд, астрофишики тем не менее пришли к выводу, что звёзды, имеющие светимость в определённом диапазоне, должны встречаться чаще других. Астрофишики вычислили, что наиболее долгоживущие звёзды должны иметь светимость в диапазоне от 1026 до 1027 ватт. Их звезда, по всей видимости, попадает в этот диапазон.

Теперь за дело взялись осетрологи. При такой светимости звезды планета должна располагаться от неё на расстоянии около ста миллионов миль, чтобы климат планеты был умеренным, а на поверхности существовало достаточно жидкой воды. Это предположение не было настолько точным, как им хотелось бы. Как и любой вероятностный результат, оно могло оказаться и неправильным. Но все же это было лучше, чем полное отсутствие предположения.

Общим между двумя этими ситуациями – существованием жидкой воды и формированием галактик – является то, что одних только антропных (или ихтиотропных) соображений оказывается недостаточно для объяснения или предсказания всего на свете. Это неизбежно, если на Ландшафте оказывается более чем одна долина с пригодными для жизни условиями, а когда ландшафт состоит из 10500 долин, вероятность существования множества пригодных для жизни долин выглядит достаточно высокой. Назовём пригодный для существования жизни вакуум антропно приемлемым. Обычные физика и химия в антропно приемлемой долине могут быть очень похожи на наши. Там могут существовать электроны, ядра, планеты, звёзды, галактики и законы гравитации, почти такие же, как и в нашем мире. Различия могут обнаруживаться лишь в таких вещах, которые интересуют только физиков высоких энергий. Например, в природе существует множество частиц: t-кварк, тау-лептон и другие, – свойства которых вряд ли оказывают какое-то серьёзное влияние на обычный мир. Различия между такими мирами будет очень сложно обнаружить без помощи гигантских ускорителей заряженных частиц. Некоторые из этих вакуумов (включая наш собственный) могут содержать множество новых типов частиц, не оказывающих практически никакого влияния на обычную физику. Есть ли способ объяснить, почему мы живём в каком-то одном конкретном из этих антропно приемлемых вакуумов? Очевидно, что антропный принцип нам в этом не помощник, потому что все подобные вакуумы допускают существование жизни.

Этот вывод вызывает разочарование. Он оставляет теорию открытой для серьёзных обвинений в том, что она не обладает предсказательной силой, к которым учёные особенно чувствительны. Для решения этой проблемы многие космологи пытались дополнить антропный принцип дополнительными вероятностными предположениями. Например, вместо того чтобы спрашивать, почему масса t-кварка имеет конкретное значение, можно попытаться спросить, какова вероятность того, что масса t-кварка находится в определённом диапазоне.

Вот одно из таких предположений. В конце концов мы достаточно хорошо изучим Ландшафт, чтобы вычислить, какое количество долин будут содержать t-кварки с массами в том или ином диапазоне. На некоторые диапазоны масс придётся много долин, на некоторые – мало. Дальше очевидно: значение массы t-кварка, на которое приходится большее количество долин, более вероятно. Но для реализации такой программы исследований нам необходимо знать о Ландшафте гораздо больше, чем мы знаем сегодня. Но давайте поставим себя на место будущих исследователей, имеющих подробную карту Ландшафта, на которую нанесены все возможные вакуумы с любым мыслимым набором свойств. Самым естественным предположением будет, что относительная вероятность двух выбранных значений какой-либо константы будет соответствовать отношению количества вакуумов, в которых константа имеет выбранные значения. Например, если количество вакуумов, в которых масса какой-то частицы имеет значение M1, вдвое больше количества вакуумов, в которых масса этой частицы имеет значение M2, то из этого следует, что вероятность того, что частица имеет массу M1, вдвое выше вероятности, что частица имеет массу M2. Если бы нам повезло, то мы могли бы обнаружить, что определённое значение массы t-кварка соответствует самому большому числу долин. Рассуждая в этом ключе, мы могли бы предположить, что именно такое значение массы и должно быть у t-кварка в нашем мире.

Ни одно единичное предсказание такого рода, основанное на вероятности, не может подтвердить или опровергнуть теорию, но множество успешных статистических прогнозов способно придать нашей уверенности больший вес.

Идея заманчива, но есть серьёзные основания подвергнуть такую логику сомнению. Не забывайте, что Ландшафт – это всего лишь пространство возможностей. Если бы мы были фишиками, то могли бы аналогичным образом размышлять о ландшафте всевозможных планет, рассчитывая найти среди них любые варианты, допускаемые Законами Физики, например планеты, ядро которых состоит из чистого золота. Уравнения физики допускают существование как золотых, так и железных шаров. Следуя такой логике, фишики могли бы прийти к выводу, что вероятность, что их планета имеет железное ядро, точно такая же, как вероятность, что она имеет золотое ядро, но это очевидная ошибка.

В действительно мы хотим знать не количество возможных видов планет, а количество реально существующих планет каждого вида. Для этого нам нужны нечто большее, чем абстрактный подсчёт возможностей. Мы должны знать, как и в каких пропорциях синтезируются железо и золото в термоядерных процессах, происходящих в недрах звёзд.

Железо является наиболее стабильным из всех химических элементов. Среди всех атомных ядер труднее всего выбить протон или нейтрон из ядра железа. Следовательно, процессы термоядерного синтеза, идущие в недрах звёзд, будут приводить к синтезу гелия из водорода, затем лития, бериллия, бора, углерода и более тяжёлых элементов, вплоть до железа. В результате железо окажется наиболее распространённым во Вселенной химическим элементом по отношению к более тяжёлым, к которым относится и золото. Именно поэтому железо относительно дёшево, а золото стоит более тысячи долларов за унцию. Золото значительно более редкий элемент, чем железо. Почти все планеты земной группы должны иметь железное ядро, а не золотое. По сравнению с вероятностью обнаружить планету с железным ядром вероятность обнаружить планету с золотым ядром стремится к нулю. Поэтому нам нужно научиться считать актуальности, а не возможности.

При подсчёте карманных вселенных мы должны руководствоваться той же логикой, которую использовали при подсчёте планет. И тут мы встречаемся с ужасной проблемой вечной инфляции. Из-за своей вечности вечная инфляция, по крайней мере, как мы её понимаем, производит бесконечное количество карманов и, соответственно, бесконечное разнообразие карманных вселенных. Это приводит нас к старой математической проблеме: как сравнить две бесконечности.

Какая из бесконечностей больше и насколько?

Проблема сравнения бесконечных чисел восходит к работам Георга Кантора, который в конце XIX века задался вопросом: как сравнить два множества, каждое из которых содержит бесконечное количество элементов? Для начала разберёмся, как мы сравниваем обычные числа. Представим, что у нас есть куча яблок и куча апельсинов. Очевидный ответ состоит в том, что нужно просто взять и пересчитать количество фруктов в каждой куче, но поскольку мы хотим знать всего лишь, какая куча больше, мы можем воспользоваться более простым способом, который даже не требует от нас умения считать. Выложим яблоки в одну линию, затем выложим рядом с ними апельсины так, чтобы рядом с каждым яблоком лежал апельсин. Если какие-то яблоки остались лишними, значит, яблок больше, чем апельсинов. Если остались лишние апельсины, значит, апельсинов больше, чем яблок. Если каждому яблоку соответствует ровно один апельсин, значит, количества яблок и апельсинов одинаковы.

Кантор утверждал, что то же самое можно проделать и с бесконечными (он назвал их трансфинитными) множествами. Возьмём для примера множество чётных и множество нечётных натуральных чисел. Каждое из них содержит бесконечное количество элементов, но какое из этих бесконечных чисел больше? Запишем элементы этих множеств один под другим и посмотрим, сумеем ли мы расположить их так, чтобы каждому чётному числу соответствовало одно нечётное. Математики называют это взаимно однозначным соответствием.

Обратите внимание, что эти два списка в конечном итоге должны содержать все чётные и все нечётные числа. Кроме того, они в точности совпадут поэлементно, на основании чего Кантор пришёл к выводу, что количество чётных чисел равно количеству нечётных, несмотря на то что оба множества бесконечны.

А что можно сказать про общее количество натуральных чисел? На первый взгляд кажется, что общее количество натуральных чисел вдвое больше, чем количество чётных. Но Кантор категорически не согласился с таким выводом. Множество чётных чисел может быть поставлено во взаимно однозначное соответствие с множеством всех натуральных чисел.

Согласно математической теории бесконечных чисел, которую построил Кантор, количество чётных чисел является точно таким же, как и количество всех натуральных чисел! Более того, множество чисел, кратных 10, – 10, 20, 30, 40 и т. д. – это бесконечное множество точно такого же размера, как и множество натуральных чисел. Натуральные числа, чётные или нечётные числа, числа, которые делятся на десять, – это всё примеры того, что математики называют бесконечными счётными множествами, и все они имеют один и тот же размер.

Давайте проведём с бесконечными числами мысленный эксперимент. Представьте себе бесконечный мешок, в котором лежат все натуральные числа, записанные на клочках бумаги. Сначала тщательно потрясём мешок, чтобы все бумажки как следует перемешались. Теперь засунем в него руку и вытащим одну бумажку. Какова вероятность того, что записанное на бумажке число будет чётным?

Напрашивающийся ответ: 50 процентов. Поскольку половина чисел в мешке чётные, то и вероятность вытащить чётное число должна быть равна одной второй. Но мы не можем проделать такой эксперимент в реальном мире, потому что никто не может сделать бесконечный мешок для натуральных чисел. Для проверки теории мы можем прибегнуть к небольшой хитрости и использовать конечный мешок, содержащий, скажем, первую тысячу натуральных чисел. Если мы повторим эксперимент много раз, то обнаружим, что вероятность вытянуть чётное число действительно близка к одной второй. Затем мы можем провести этот же эксперимент с мешком, в котором находятся первые десять тысяч натуральных чисел. И опять мы обнаружим, что вероятность вытащить чётное число равна одной второй. Проводя эксперимент с первыми 100 000 натуральных чисел, с первым миллионом натуральных чисел, с первым миллиардом и т. д., мы каждый раз будем получать вероятность, равную одной второй. Разумно экстраполировать результат нашего эксперимента на бесконечное количество натуральных чисел и предположить, что вероятность по-прежнему останется равной одной второй.

Но погодите. Мы можем изменить содержимое мешка следующим образом. Положим в первом эксперименте в мешок одну тысячу первых чётных чисел и две тысячи первых нечётных. Теперь нечётных чисел в мешке вдвое больше, чем чётных, и вероятность вытащить чётное число равна одной третьей. Повторим эксперимент с первыми 10 000 чётных и первыми 20 000 нечётных чисел и снова получим вероятность, равную одной третьей. Как и в предыдущем эксперименте, мы можем экстраполировать этот результат на бесконечное количество чисел и прийти к выводу, что искомая вероятность равна одной третьей. На самом деле, изменяя условия эксперимента, мы можем получить любое значение вероятности.

Вечно раздувающаяся Вселенная – это бесконечный мешок, только наполненный не клочками бумажек с числами, а карманными вселенными. Это мешок, в котором любой наперёд заданный вариант вселенной – любая долина Ландшафта – содержится бесконечно счётное количество раз. Не существует очевидного математического способа сравнить количество экземпляров одного вида карманной вселенной с количеством другого и объявить, что один вариант является более вероятным, чем другой. Следствие из этого факта представляется очень тревожным: похоже, что нет способа определить относительную распространённость различных антропно-приемлемых вакуумов.

Проблема меры (мерой в космологии называется относительная частота встречаемости различных вакуумов) сильно беспокоит многих великих космологов, в частности Виленкина и Линде. Она может оказаться ахиллесовой пятой вечной инфляции. С одной стороны, очень трудно понять, как избежать вечной инфляции в какой-нибудь теории, содержащей интересный ландшафт. С другой стороны, не менее трудно понять, как использовать получившуюся теорию для предсказания чего бы то ни было в традиционном научном смысле.

В прошлом физика уже сталкивалась с многочисленными проблемами, связанными с бесконечными числами: с ультрафиолетовой катастрофой, успешно предотвращённой Максом Планком, или с расходимостями в первых вариантах квантовой теории поля. Даже проблемы чёрных дыр, из-за которых спорили Хокинг и ‘т Хоофт, тоже связаны с бесконечностью. Согласно расчётам Хокинга, горизонт чёрной дыры способен безвозвратно поглотить бесконечное количество информации. Всё это были глубокие проблемы трансфинитных или бесконечных чисел. И в каждом случае приходилось находить новые физические принципы, прежде чем мог быть достигнут какой-либо прогресс. В случае Планка это была квантовая механика, а именно открытие Эйнштейном того, что свет состоит из квантов. Бесконечные числа, досаждавшие квантовой теории поля, были побеждены только после открытия Кеннетом Вильсоном принципа перенормировки. История с чёрными дырами продолжается до сих пор, но контуры решения задачи уже намечены в виде голографического принципа. В каждом случае оказывалось, что классические методы расчёта завышали количество степеней свободы, которыми описывается мир.

Я считаю, что проблема меры также потребует новых крупных идей, прежде чем мы сможем понять, как делать предсказания относительно Ландшафта. Если бы меня попросили сделать какие-либо предположения, я бы сказал, что тут должно иметь место что-то типа голографического принципа и что информация, находящаяся за границами нашего горизонта, содержится в реликтовом излучении в нашем собственном кармане. Но если бы я был противником населённого ландшафта, я бы избрал целью моей атаки именно эту концептуальную проблему вечной инфляции.

Помимо проблемы меры имеются ещё и очень серьёзные проблемы, связанные с практическими трудностями в получении предсказаний, которые можно было бы проверить путём эксперимента или наблюдений. Но я думаю, что тут ситуация далеко не безнадёжна. Существует несколько предсказаний, которые могут быть проверены в ближайшем будущем.

 

Начало инфляции

В главе 5 я объяснил, как на раннем этапе существования Вселенной (который наблюдается в виде реликтового излучения) на финальной стадии инфляции, которая завершала падение с обрыва в нашу долину, была достигнута чрезвычайно высокая однородность распределения вещества. Оставшиеся едва заметные неоднородности стали теми семенами, из которых выросли галактики. Мы наблюдаем комковатую структуру распределения вещества во Вселенной на всех масштабах, от крошечных космических пылинок до занимающих почти полнеба гигантских образований. Космические комки и возмущения, которые мы наблюдаем сейчас, являются ископаемыми остатками различных эпох. Важно помнить о простом правиле: чем больше масштаб неоднородности, тем от более ранней эпохи она осталась.

Если нам очень, очень повезло, то, возможно, самая крупная из наблюдаемых неоднородностей в распределении реликтового излучения несёт информацию о состоянии Вселенной непосредственно перед началом инфляционной фазы, иными словами, о том моменте, когда Вселенная зависла над инфляционным обрывом. Если это так, то самая крупная неоднородность должна быть чуть менее комковатой, чем более мелкие неоднородности, которые возникли, когда инфляция уже продолжалась какое-то время. И похоже, что действительно есть наблюдательные данные, свидетельствующие, что наиболее крупные неоднородности являются более гладкими, чем остальные. Будет совсем смело предположить, что эти самые крупномасштабные неоднородности могут нести информацию о формировании нашего пузыря в эпоху с большей, чем сейчас, космологической постоянной.

Если же нам повезло настолько, что инфляция не продолжалась слишком долго, чтобы уничтожить доказательства первоначальной кривизны пространства, то наш пузырь должен нести следы той эпохи. Если наша карманная вселенная родилась в процессе пузырьковой нуклеации, то её кривизна должна быть отрицательной – сумма углов космического треугольника всегда должна быть 180 градусов.

На сегодняшнем уровне точности наших наблюдений нам пока не удаётся найти никаких свидетельств отрицательной кривизны нашей Вселенной. С одной стороны, если инфляционная фаза продолжалась очень долго, то мы и не обнаружим никакой отрицательной кривизны. Но с другой стороны, если мы обнаружим отрицательную кривизну, то это будет неоспоримым доказательством того, что наша Вселенная родилась в форме крошечного пузырька в вакууме с большей, чем нынешняя, космологической постоянной.

 

Суперструны в небесах

Мы исчерпали далеко не все наши возможности исследования Вселенной. Возможно ли реально обнаружить суперструны? Очевидно, что они слишком малы для наших экспериментальных методов. Но ведь то же самое можно было сказать и о микроскопических квантовых флуктуациях, происходивших во время инфляционной фазы, однако в главе 5 мы увидели, что расширение Вселенной и гравитация удивительным образом превращают эти микроскопические возмущения во вполне наблюдаемые эффекты, проявляющиеся в неравномерности распределения фона реликтового излучения, и в конце концов именно они приводят к появлению видимых сегодня на небе галактик и звёзд. Сегодня мы наблюдаем последствия микроскопических квантовых флуктуаций в виде гигантского расширяющегося небесного свода, расписанного безумным художником-пуантилистом, и это – поистине невероятный факт, ставший полной неожиданностью для большинства физиков, привыкших воспринимать квантовые эффекты как нечто, присущее исключительно микромиру. Так что, наверное, не следует с порога отвергать мысль о том, что такие мелкие объекты, как суперструны, не способны произвести что-либо подобное, – скажем, превратить небосвод в гигантский холст Джексона Поллока.

Опираясь на работы Тибо Дамура, Александра Виленкина, Джо Полчински и других, теоретики принялись исследовать новые, чрезвычайно захватывающие явления, связанные с инфляционной фазой. Причиной инфляции является энергия вакуума, предшествовавшего нынешнему. Эта энергия никуда не исчезла после того, как Вселенная упала с потенциального обрыва в нашу сегодняшнюю долину Ландшафта, а преобразовалась в более простые формы энергии – в излучение и вещество, из которых состоит наша Вселенная.

Но энергия может существовать и в других формах. Часть энергии могла преобразоваться в потенциальную энергию чрезвычайно запутанного клубка струн, напоминающего моток шерсти, после того как тот попал в лапы коту. Этот клубок может содержать не только обычные струны теории струн, но и D-струны, разработанные Полчински.

Если такой клубок возник в ранней Вселенной, то в процессе последующего расширения он тоже раздуется до огромных масштабов: крошечные микроскопические петли и узелки разрастутся до размеров в сотни миллионов световых лет. Но какая-то часть струн сохранится до настоящего времени, полощась, как гигантские бельевые верёвки на ветру, на просторах Вселенной. Эти струны не будут наблюдаться в оптические или радиотелескопы, но, к счастью, есть ещё один способ их обнаружить. Дамур и Виленкин показали, что такие космические струны будет излучать гравитационные волны (волноподобные возмущения гравитационного поля), которые, возможно, удастся зафиксировать уже в следующем десятилетии.

Обнаружение таких струн среди звёзд стало бы триумфом теории струн.

Изучая эти космические суперструны, если они действительно существуют, мы могли бы очень многое сказать если не обо всём Ландшафте, то, по крайней мере, о нашей ближайшей его окрестности. Полчински с коллегами тщательно изучили условия, при которых клубок струн превращается во вселенскую сеть. Эти условия очень чувствительны к таким вещам, как размерность Ландшафта, наличие бран и потоков в компактифицированных измерениях и т. п. Возможно, вместо того чтобы строить всё более гигантские ускорители элементарных частиц, нужно просто внимательнее присмотреться к звёздному небу над головой?

 

Высокоэнергетическая физика

Астрономические и космологические наблюдения, вероятно, – дело будущего, а сегодня мы ещё не достигли пределов наших возможностей в лабораторных экспериментах. Самые большие надежды на получение в краткосрочной перспективе новых революционных сведений о Законах Физики всегда возлагались на высокоэнергетическую физику и её ускорители элементарных частиц. Возможно, мы уже приближаемся к пределу наших возможностей, но нет никаких сомнений в том, что мы сумеем раздвинуть границы наших знаний ещё по крайней мере на один порядок. Крупнейший в мире ускоритель и, вероятно, единственный достаточно большой, чтобы добыть для нас много новой информации, находится вблизи Женевы в Швейцария, в CERN’е (Европейский центр ядерных исследований). Он называется Большим адронным коллайдером, или БАК. Изначально он был задуман с целью изучения бозона Хиггса, но он также представляет собой идеальную машину для обнаружения суперсимметричных близнецов элементарных частиц.

В главе 8 я упомянул, что многие физики считают, что суперсимметрия поджидает нас буквально «за углом». Ещё 25 лет назад было выдвинуто предположение, согласно которому наличие суперсимметрии гарантирует, что гигантские квантовые флуктуации вакуума не приведут к возникновению огромной массы бозона Хиггса, которая обрушит Стандартную модель. Возможно, суперсимметрия действительно ждёт нас если не за ближайшим углом, то за следующим. Большинство физиков ожидают, что так оно и есть, по крайней мере такое впечатление создаётся при взгляде на количество публикаций по этой теме.

Но есть ещё одна возможность. Так же как и в ситуации с энергией вакуума (или с космологической постоянной), слишком большая масса бозона Хиггса привела бы к невозможности появления жизни в нашей карманной вселенной. Поэтому, возможно, решением является не суперсимметрия, а апелляция к антропному принципу. Если мир достаточно велик и Ландшафт достаточно разнообразен, то в каких-то отдельных областях Мегаверсума масса бозона Хиггса будет не слишком большой, чтобы предотвратить возможность появления жизни. Как и в случае с космологической постоянной, апелляция к суперсимметрии в этом случае окажется излишней.

Эти два объяснения не обязательно исключают друг друга. Возможно, что условием для того, чтобы масса бозона Хиггса в какой-то долине была мала, является существование рядом с ней, теперь уже буквально «за углом», другой, суперсимметричной долины. Возможно даже, что это условие характерно для всех долин с малой массой бозона Хиггса.

Или наоборот, может оказаться, что подавляющее большинство вакуумов с малой массой бозона Хиггса полностью лишены какой-либо суперсимметрии. Изучение Ландшафта всё ещё находится в зачаточном состоянии, и мы не знаем ответа на этот вопрос. Моё личное предположение состоит в том, что суперсимметрия не нужна, и я упоминал об этом в одной из статей. Но с тех пор я уже дважды поменял своё мнение, и, скорее всего, не в последний раз.

В попытке предсказать относительную вероятность обнаружения и необнаружения суперсимметрии мы снова приходим к проблеме меры. Возможно, мы должны на этом остановиться, но есть сильное искушение попытаться обойти препоны и прорваться вперёд. Такие теоретики, как Майкл Дуглас, Шамит Качру и другие, заняты разработкой методов, позволяющих подсчитать на Ландшафте количество разных мест с различными свойствами. Я имею в виду количество возможностей, а не количество реальных карманных Вселенных. Не имея никакой другой информации, мы могли бы прийти к выводу, что если количество антропно приемлемых вакуумов с нарушенной суперсимметрией намного больше, чем число вакуумов вообще без суперсимметрии, то существование нарушенной суперсимметрии в нашем мире весьма вероятно. Но проблема меры представляет собой ещё одного огромного слона в комнате, который тихо посмеивается над нами.

Несмотря на реальные трудности в проверке гипотезы существования Ландшафта, вечной инфляции и антропного принципа, есть много способов верификации теории. Математическая согласованность может не впечатлять прагматичных экспериментаторов, но не следует её недооценивать. Согласованные теории, объединяющие квантовую механику и общую теорию относительности, пока ещё не созданы, поэтому у теории струн практически нет конкурентов. А если альтернативы нет и при этом теория струн предсказывает существование богатого ландшафта, то населённый ландшафт становится принимаемым по умолчанию – так сказать, «теорией, задающей шаг».

Но отказываться от перспектив более прямой проверки теории, конечно же, преждевременно. Это правда, что теория и эксперимент обычно идут рука об руку, но это не всегда так. Потребовалось более двух десятилетий, прежде чем теория инфляции Алана Гута была подтверждена наблюдениями, а на первых порах почти все признавали его идею интересной, но абсолютно непроверяемой. Я думаю, что даже сам Алан был скептически настроен в отношении перспектив подтверждения своей теории.

В ещё более щекотливом положении оказалась теория Дарвина. Она основывалась на общих наблюдениях над миром живой природы и очень прозорливом предчувствии. Но прямые экспериментальные подтверждения теории эволюции казались совершенно невозможными без наличия машины времени, способной переместить исследователя на миллионы, если не на миллиарды лет. В действительности гениальным биологам и химикам потребовалось около ста лет, чтобы найти способ экспериментальной проверки теории. Иногда теория должна идти впереди, чтобы освещать путь.