Очевидно, что при рассказе о физике аудитории, состоящей из не-физиков, всевозможные аналогии и метафоры часто оказываются поистине бесценными. Но для меня они также являются мощными мыслительными инструментами – моими собственными идиосинкратическими инструментами. Часто, чтобы убедить самого себя в справедливости какой-нибудь очень сложной точки зрения, я изобретаю аналогии, которые позволяют легко увидеть решение проблемы с неожиданного ракурса.

Антропный принцип создал больше путаницы и философских заблуждений, чем что-либо ещё, порождённое наукой в течение последнего времени. До сих пор идут непрекращающиеся споры о том, в чём состоит смысл этого принципа, как он должен применяться, когда его применение является оправданным, а когда нет, в каких случаях апелляция к антропному принципу разумна, а в каких бессмысленна. Для меня испытанный путь – найти знакомую аналогию, в которой можно извлечь здравый смысл из воздуха. Более десяти лет тому назад я придумал притчу, для того чтобы убедить самого себя в том, что антропный принцип может иметь хоть какой-нибудь смысл.

 

Подарок для Тини

У известных физиков существует старая традиция организовывать на своё шестидесятилетие большую вечеринку, только эти вечеринки обычно продолжаются несколько дней и состоят из непрерывной череды физических семинаров – и проходят без музыки. На одной такой вечеринке моего старого друга Мартинуса Велтмана я должен был прочитать лекцию. Голландец Тини, волосатый и бородатый, как сказочный людоед, напоминает гибрид Орсона Уэллса в роли Макбета и Саддама Хусейна. Недавно Тини вместе с Герардом ‘т Хоофтом получил Нобелевскую премию за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий.

Тини был одним из первых, кто признал существование проблемы энергии вакуума, и я собирался назвать свою лекцию: «Тини и космологическая постоянная». Мне хотелось поговорить об антропном принципе, о расчёте формирования галактик, выполненном Стивом Вайнбергом. Но помимо этого я хотел объяснить, каким способом можно придать антропному принципу научный смысл. А для этого, как всегда, я использовал аналогию.

Вместо того чтобы задаваться вопросом, почему космологическая постоянная так тонко настроена, я сформулировал аналогичный вопрос: почему так тонко настроена температура земной поверхности, на которой может существовать жидкая вода? Оба этих вопроса по сути об одном и том же: как так случилось, что мы живём в среде, свойства которой находятся в очень узком диапазоне, идеально приспособленном для нашего существования. Чтобы ответить на них, я предложил следующую притчу о мудрой рыбе.

 

История рыбы

Давным-давно на планете, полностью покрытой водой, обитала раса очень умных рыб. Эти рыбы могли жить только на определённой глубине, и никто из них никогда не видел поверхности моря или его дна. Но они были очень умными, а кроме того, очень любопытными. Время от времени рыбы задавались очень сложными вопросами о природе воды и о других не менее интересных вещах. Самые талантливые среди них именовались фишиками. Фишики были настолько умными, что за нескольких поколений пришли к пониманию многих явлений природы из области гидродинамики, химии, атомной физики и даже физики атомного ядра.

В конце концов некоторые из фишиков стали задаваться вопросом, почему законы природы такие, какие они есть. Их сложные технологии позволили изучать воду во всех её формах – в виде льда, пара и, разумеется, жидкого состояния. Но один вопрос постоянно ставил их в тупик. Они не могли понять, почему в то время как вода может существовать в разных состояниях при разных температурах от нуля до бесконечности, температура среды их обитания как будто специально настроена в таком узком диапазоне, в котором вода существует в жидкой фазе. Они пытались привлечь для объяснения разные идеи, включая различные типы симметрии, механизм динамической релаксации и т. п. Но безуспешно.

С фишиками была тесно связана ещё одна группа исследователей, именовавших себя осетрологами, также изучавшая водный мир. Осетрологов не столько интересовали обычные глубины, на которых обитали умные рыбы, сколько вопрос о существовании верхней границы их мира. Осетрологи знали, что большая часть их водного мира непригодна для разумной жизни, потому что изменение давления смертельно для их большого мозга. Если бы они попытались подняться наверх, то из-за уменьшения давления воды их мозг мог просто взорваться изнутри. Всё, что им оставалось, – это рассуждать.

Так случилось, что в те времена существовала одна осетрологическая школа, последователи которой сформулировали весьма радикальную идею (некоторым она показалась смешной) о тонкой настройке температуры. Они назвали эту идею ихтиотропным принципом. Ихтиотропный принцип утверждал, что причина того, что температура среды их обитания находится в диапазоне, соответствующем жидкой фазе воды, в том, что только в этом случае может существовать рыба, способная сформулировать этот принцип!

«Бредятина! – возмутились фишики, – это не наука. Это религия. Просто данность. Более того, если мы согласимся с вами, другие рыбы станут над нами смеяться, а то ещё, чего доброго, лишат нас финансирования». К тому же не все осетрологи понимали под ихтиотропным принципом одно и то же. Более того, было трудно найти двух осетрологов, которые соглашались бы друг с другом. Одни считали, что смысл ихтиотропного принципа в том, что рыба-ангел создала мир с единственной целью предоставить умным рыбам место для проживания. Другие утверждали, что квантовая волновая функция Водоверсума является суперпозицией всех значений температуры, а акт наблюдения, произведённый некими предками рыб, вызвал «редукцию волновой функции».

Небольшая группа осетрологов во главе с Андреем Большеголовым и Александром Глубокодумающим придерживалась и вовсе необычной гипотезы. Они считали, что за пределами верхней границы их водного мира существует колоссальное пространство. И в этом гигантском пространстве может существовать множество других миров, в каком-то смысле аналогичных их миру, но с самыми разнообразными условиями. Некоторые миры являются невероятно горячими. Настолько горячими, что ядра водорода, который, как известно, входит в состав воды, сливаются вместе, образуя ядра гелия, и от этого становится ещё горячее. Другие миры настолько холодны, что в них может существовать даже замороженный водород. И только очень небольшая часть миров находится в диапазоне температур, допускающих развитие жизни и появление рыб. Тогда никакой загадки в тонкой настройке температуры нет. Любой рыболов знает, что большинство мест являются безрыбными, но кое-где условия оказываются благоприятными – в них-то рыба и водится.

Но фишики на это только вздыхали: «О господи, опять они со своими рыбацкими рассказами! Не обращайте на них внимания».

Конец.

Мою притчу ожидал оглушительный провал. В ходе семинара слышались громкие вздохи и стоны аудитории, и до конца вечеринки участники старались избегать меня. Тини тоже не впечатлился. Антропный принцип оказывает на большинство физиков-теоретиков такое же действие, так полный туристов джип на разъярённого слона.

 

Антропные Ландшафты

Всякий, кто хоть что-нибудь смыслит в астрономии, не подумает усомниться в правоте осетрологов. История науки говорит нам, что существуют ситуации, в которых антропное (или ихтиотропное) объяснение имеет смысл. Но как узнать, когда это так? К каким случаям применима антропная аргументация, а в каких она неуместна? Нам необходимы какие-то руководящие принципы.

Начнём с очевидного: антропное объяснение факта X может иметь смысл, только если есть серьёзные основания полагать, что если бы X был иным, то существование разумной жизни было бы невозможно. Для умных рыб всё понятно: слишком жарко – и мы получаем рыбный суп; слишком холодно – и у нас склад мороженой рыбы. Вайнберг привёл аналогичные рассуждения в отношении космологической постоянной.

Если задуматься об условиях, необходимых для возможности существования жизни, то Ландшафт превращается в кошмарное минное поле. Я уже рассказывал, насколько фатальной является слишком большая космологическая постоянная, но существует и множество других опасностей. Требования, предъявляемые к вселенной, можно разделить на три категории. Законы Физики должны допускать существование органических соединений; основные химические вещества должны присутствовать в достаточном количестве; эволюция вселенной должна приводить к возникновению больших, гладких и долгоживущих, пригодных для жизни поверхностей (планет) с мягкими природными условиями.

Жизнь – это химический процесс. Что-то в природе атомов заставляет их собираться в самые причудливые конфигурации: гигантские молекулы жизни – ДНК, РНК, сотни белков и прочие. Хотя химия обычно рассматривается как отдельная научная дисциплина – она имеет собственные университетские факультеты и научные журналы, – на самом деле это раздел физики, который имеет дело с внешними атомными электронами. Эти валентные электроны, прыгая туда-сюда или обобществляясь между атомами, ответственны за удивительные способности атомов соединяться в разнообразные молекулы.

Как же получается, что Законы Физики позволяют таким потрясающе сложным структурам, как ДНК, существовать длительное время, не разрушаясь при столкновении друг с другом или под действием иных внешних воздействий? В какой-то степени это просто везение.

Как мы помним из первой главы, Законы Физики начинаются со списка элементарных частиц: электронов, кварков, фотонов, нейтрино и прочих, каждая из которых обладает индивидуальными свойствами, такими как масса или электрический заряд. Никто не знает, почему список элементарных частиц именно такой или почему частицы обладают именно такими свойствами. Возможно бесконечное количество других списков, но Вселенная, содержащая в себе живых существ, представляет собой совсем не то, что можно было бы ожидать от случайного набора частиц со случайными свойствами. Удаление любой частицы из списка (электрона, кварка или фотона) и даже незначительное изменение её свойств приведёт к невозможности существования обычной химии.

Это очевидно в отношении электронов и кварков, из которых состоят атомы и атомные ядра, но, возможно, не столь очевидно в отношении фотона. Фотоны – это крошечные «пули», из которых состоит свет. Разумеется, без них мы не могли бы видеть, но ведь остаются слух и обоняние, так что, возможно, фотон не так важен, как электрон или кварки? Это большая ошибка. Фотоны являются клеем, скрепляющим атомы вместе.

Что удерживает валентные электроны на своих орбитах? Почему они не улетают прочь, говоря «Адью!» протонам и нейтронам? Ответ: сила электрического притяжения между разноимённо заряженными электронами и атомными ядрами. Электрическое притяжение отличается от притяжения между мухой и липкой лентой. Муха может быть очень крепко приклеена к липкой ленте, но раз от неё оторвавшись, даже очень лёгкая муха немедленно освободится от ленты. Муха улетит прочь и, если только она не настолько глупа, чтобы вернуться обратно, она будет полностью свободна. На физическом жаргоне силы, удерживающие муху на липкой ленте, называются короткодействующими – они не простираются на большие расстояния.

Короткодействующие силы не играют роли в удерживании электронов около ядер. Атом похож на миниатюрную Солнечную систему, и все валентные электроны похожи на наиболее удалённые от Солнца планеты, это своеобразные атомные Нептуны и Плутоны. Только силы, способные действовать на больших расстояниях, могут удержать их от «отлёта» во «внешнее пространство».

Дальнодействующие силы, способные захватить частицу на большом расстоянии, являются редкостью. Из множества различных типов сил в природе только две являются дальнодействующими. С обеими этими силами мы хорошо знакомы, и лучше всего знакомы с гравитацией. Когда мы прыгаем вверх, земная гравитация тянет нас обратно. Она простирается на сотни миллионов километров, удерживая планеты на их орбитах вокруг Солнца, и на десятки тысяч световых лет, удерживая звёзды в галактиках. Именно сила такого типа необходима, чтобы удерживать в атоме внешние электроны. Разумеется, гравитация не годится на эту роль, потому что она слишком слаба, чтобы обеспечить устойчивость атома.

Вторым знакомым нам типом сил является сила притяжения между магнитом и железной скрепкой. Магниту не нужен непосредственный контакт со скрепкой, чтобы притянуть её. Сильный магнит притягивает скрепки даже на большом расстоянии, но на электроны в атоме действует кузина магнитной силы – дальнодействующая электрическая сила между заряженными частицами. Она похожа на силу гравитационного притяжения, но гораздо сильнее. Электрическое притяжение удерживает валентные электроны в атоме так же, как гравитация удерживает Плутон в Солнечной системе.

Как уже говорилось в главе 1, электрические силы между заряженными частицами переносятся фотонами, которыми частицы обмениваются между собой. Сверхлёгкие фотоны (вспомните, что у них нет массы) способны перепрыгивать на большие расстояния, создавая дальнодействующие силы, привязывающие далёкие валентные электроны к ядру. Удалите фотон из списка частиц, и у вас не останется ничего, что удержало бы атом от распада.

Фотон – частица исключительная. Это единственная элементарная частица, помимо гравитона, не имеющая массы. Что бы произошло, если бы фотон не обладал такой исключительностью и имел массу? Теория Фейнмана говорит нам, как вычислить силу взаимодействия в случае, когда прыжки между ядрами и электронами совершают гипотетические массивные фотоны. Одним из следствий будет невозможность для тяжёлого фотона совершать далёкие прыжки. Даже если масса фотона будет составлять ничтожную часть от массы электрона, электрическое взаимодействие станет короткодействующим и не удержит далёкие валентные электроны.

Дальнодействие электрических сил не единственный фактор, важный для стабильности атомов. Сила взаимодействия также критична. Сила, удерживающая электрон в атоме, не очень велика по нашим повседневным стандартам. Она исчисляется миллиардными долями килограмм-силы. Что же определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами? И снова теория Фейнмана даёт нам ответ. Ещё один, помимо частиц, компонент фейнмановских диаграмм – вершинная диаграмма. Вспомним, что каждая вершинная диаграмма имеет числовое значение – константу связи, – и для процесса испускания и поглощения фотона такой константой связи является постоянная тонкой структуры α, равная приблизительно 1/137. Малость α является математическим обоснованием того, почему электрическое взаимодействие слабее своего ядерного коллеги.

Что бы произошло, если бы постоянная тонкой структуры превышала, скажем, единицу? Это привело бы сразу к нескольким катастрофам, одной из которых стала бы гибель атомных ядер. Ядерные силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) вместе, похожи на силу, действующую на муху со стороны липкой ленты, – они сильные и короткодействующие. Само ядро похоже на липкий шар для мух. Каждый нуклон «приклеен» к своим ближайшим соседям, но если он сумеет «отклеиться», то свободно улетит прочь.

Ядерным силам противодействует электрическая сила отталкивания. Протоны имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга, притягивая отрицательно заряженные электроны. Нейтроны электрически нейтральны и не играют роли в балансе электрических сил. Если ядро содержит около 100 протонов, то их суммарной силы электрического отталкивания достаточно, чтобы разорвать ядро на части.

Что произойдёт, если электрические силы станут такими же сильными, как и ядерные? Очевидно, что все составные ядра станут нестабильными, поэтому электрические силы должны быть слабее ядерных, чтобы по крайней мере ядра углерода и кислорода были стабильными. Почему же постоянная тонкой структуры мала?

Этого не знает никто, но если бы она была больше, то некому было бы задавать этот вопрос.

Протоны и нейтроны больше не считаются элементарными частицами. Каждый из них состоит из трёх кварков. Существуют несколько различных типов кварков: u-кварк, d-кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Имена у них малозначащие, но различия между типами кварков очень важны. Если пробежаться по списку масс элементарных частиц, приведённому в главе 3, то можно обнаружить, что массы кварков варьируются в очень широких пределах: от порядка 10 масс электрона для u-кварка до 344 000 масс электрона для t-кварка. Долгое время физики ломали голову, почему t-кварк такой тяжёлый, но недавно пришли к пониманию, что это не t-кварк аномально тяжёлый, а u-кварк и d-кварк абсурдно лёгкие, и тот факт, что они в 20 000 раз легче, чем такие частицы, как Z-бозон и W-бозон, нуждается в объяснении. Стандартная модель такого объяснения предоставить не может.

Таким образом, мы можем задаться вопросом, на что был бы похож наш мир, если бы u-кварк и d-кварк были гораздо тяжелее. И опять ответом будет катастрофа. Протон и нейтрон состоят из u– и d-кварков (частицы, состоящие из s-, c-, b– и t-кварков, не играют никакой роли в обычной физике и химии и представляют интерес исключительно для специалистов в области высокоэнергетической физики). Согласно кварковой теории протонов и нейтронов, ядерные силы (силы, действующие между нуклонами) можно описать при помощи обмена кварками. Если кварки утяжелить, нуклонам будет труднее ими обмениваться, и ядерные силы практически исчезнут. Без сил, склеивающих нуклоны вместе, не будет атомных ядер, не будет тяжёлых элементов, соответственно не будет атомов и, как следствие, не будет химии и нас с вами. Нам в очередной раз повезло.

Вспомним теперь, что в терминах Ландшафта наша Вселенная лежит в долине, все свойства которой удивительно хорошо подогнаны для возможности нашего существования. Но средний стандартный регион Ландшафта может сильно отличаться от нашей долины. Постоянная тонкой структуры там запросто может быть больше, чем у нас, фотоны – обладать массой, кварки – быть тяжелее, и более того, электроны, фотоны или кварки могут и вовсе отсутствовать в списке элементарных частиц. Любое из этих отличий сделает наше существование невозможным.

Даже если все стандартные частицы будут присутствовать в списке, иметь «правильные» массы и взаимодействовать с «правильными» силами, этого недостаточно для существования обычной химии. Необходимо ещё, чтобы электроны были фермионами. Следствием из того факта, что электроны являются фермионами, является невозможность нахождения в одном и том же квантовом состоянии более одного электрона – свойство, необходимое для существования химии. Если на электроны не будет действовать принцип запрета Паули, то все электроны в атоме «свалятся» на самую нижнюю орбиту, откуда их будет крайне тяжело выбить. Та химия, которая царит в нашем мире, полностью определяется принципом запрета Паули. Если электроны вдруг неожиданно станут бозонами, жизнь, основанная на химических соединениях углерода, станет невозможной. Как вы видите, мир, в котором возможна известная нам химия, далеко не универсальное явление.

Физики часто используют слова в ином смысле, нежели принято в обычной жизни. Когда мы говорим, что что-то существует, мы обычно подразумеваем, что это что-то может быть обнаружено где-то во Вселенной. Например, если я скажу, что существуют чёрные дыры, вы можете спросить: «Где можно найти хотя бы одну из них?» Чёрные дыры существуют в обычном смысле: это реальные астрономические объекты, которые находятся, например, в центрах галактик. Но предположим, я сообщаю вам о существовании миниатюрных чёрных дыр размером не больше пылинки. Вы снова можете задать резонный вопрос: «Где они находятся?» На этот раз я мог бы ответить, что я не знаю ни одной такой чёрной дыры. «Стоп! – воскликнете вы. – Кончайте вешать мне лапшу на уши! Вы же только что заявили, что они существуют!»

Когда физики (особенно теоретики) говорят, что что-то существует, они имеют в виду положительный ответ на вопрос, может ли это что-то теоретически существовать. Другими словами, в их понимании этот объект существует в виде решения уравнений в их теории. Согласно этому критерию, существуют идеальные бриллианты размером в несколько сотен километров. Точно так же существуют и планеты, состоящие из чистого золота. Они могут или не могут быть реально обнаружены, но их существование разрешено законами физики.

Дальнодействующее электрическое взаимодействие и короткодействующее сильное взаимодействие между фермионами приводит к существованию сложных атомов типа углерода, кислорода или железа. Это прекрасно, но я говорю об их существовании в теоретическом смысле. «Что же необходимо, – спросите вы, – чтобы сложные атомы существовали в нашем обыденном смысле? Что нужно, чтобы эти атомы реально образовывались во Вселенной в огромных количествах?» Ответ на этот вопрос не так прост. Сложные атомные ядра не образовывались в сколько-нибудь заметных количествах при столкновениях частиц на ранней горячей стадии эволюции Вселенной.

В первые минуты после Большого взрыва не было ни атомов, ни атомных ядер. Горячая плазма состояла из протонов, нейтронов и электронов, заполняющих всё пространство. Высокая температура препятствовала соединению нейтронов в более тяжёлые ядра. Когда Вселенная немного остыла, протоны и нейтроны начали образовывать так называемые первичные элементы. Но если не брать в расчёт ничтожное количество тяжёлых ядер, основную массу составили два простейших химических элемента: водород и гелий.

Кроме того, как обнаружили ещё средневековые алхимики, не так-то просто превращать один элемент в другой. Так откуда же тогда взялись углерод, кислород, азот, кремний, сера, железо и другие знакомые нам химические элементы? В очень горячей ядерной печи в недрах звезды можно делать то, чего не удалось добиться ни одному алхимику, – превращать одни химические элементы в другие. Процесс приготовления новых элементов называется ядерным синтезом. Именно такой процесс служит источником энергии для термоядерного оружия. Синтез приводит к соединению ядер водорода и нейтронов во всех возможных комбинациях и перестановках. Результатом этих ядерных реакций стали знакомые нам химические элементы.

Цепочка ядерных превращений в звёздах, начинающаяся с лёгких элементов и заканчивающаяся ядрами железа, очень сложна. Я приведу пару примеров, чтобы проиллюстрировать, как это происходит. Наиболее известным примером является реакция синтеза, которая превращает водород в гелий. Здесь впервые вступает в игру слабое взаимодействие (диаграммы с участием W и Z-бозонов). Первым шагом является столкновение двух протонов. При столкновении двух протонов может произойти множество разных событий, но среди фейнмановских диаграмм для Стандартной модели можно найти одну, которая даёт на выходе протон, нейтрон, позитрон и нейтрино.

Позитрон находит блуждающий где-то по недрам звезды электрон, и они взаимоуничтожаются, превращаясь в фотоны, которые в конце концов вносят вклад в общую тепловую энергию звезды. Нейтрино свободно ускользает из звезды, уносясь со скоростью, почти равной скорости света. На месте реакции остаются склеенный друг с другом протон и нейтрон, образующие ядро изотопа водорода, называемого дейтерием.

Следующий, третий протон, встречаясь с ядром дейтерия, прилипает к нему. Ядро, состоящее из двух протонов и одного нейтрона, является изотопом гелия, называемого «гелий-три» (3He), но это ещё не тот гелий, который мы используем для надувания воздушных шаров. Знакомый нам гелий называется «гелий-четыре» (4He).

История продолжается: два ядра 3He сталкиваются. Вместе они содержат четыре протона и два нейтрона. Но четыре протона и два нейтрона не могут образовать стабильное ядро, поэтому два лишних протона покидают место столкновения, а оставшиеся два протона и два нейтрона образуют ядро гелия-четыре.

 

Немного астрофизики

Большинство ядерных реакций, происходящих в недрах звёзд, идут по схеме столкновения протона с уже существующим ядром, что увеличивает атомный вес ядра на одну единицу. Иногда протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино. Иногда нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Во всех случаях исходные ядра водорода и гелия шаг за шагом превращаются в недрах звёзд в более тяжёлые элементы.

Но что хорошего в том, что сложные элементы образуются во внутренних областях звёзд? Разумеется, научные фантасты без труда придумают какую-нибудь экзотическую форму жизни, построенную из бушующей плазмы и процветающую при температуре в несколько миллионов градусов, но обычная жизнь нуждается в более прохладной среде. К сожалению, углерод и кислород остаются запертыми в звёздных недрах в течение всей жизни звезды.

Но ведь звёзды не вечны…

В конце концов все звёзды, и наше Солнце не исключение, исчерпывают свои запасы ядерного горючего. После этого звезда начинает сжиматься под собственным весом. До исчерпания запасов топлива тепло, освобождающееся в ходе ядерных реакций, поддерживает звезду в равновесии. С одной стороны, тепловая энергия раскалённой плазмы стремится разорвать звезду на части, с другой – гравитация пытается сжать звезду в сверхплотное состояние. Звезда светит, а значит, теряет тепло, которое, однако, непрерывно восполняется за счёт ядерных реакций. Но когда ядерное топливо кончается, ничто не мешает гравитации сделать своё чёрное дело.

Существуют три варианта окончания жизни звезды. Относительно лёгкие звёзды типа нашего Солнца умирают, сжимаясь до состояния белого карлика, состоящего из более-менее обычной материи – протонов, нейтронов и электронов, – но атомные ядра и электроны в веществе белого карлика спрессованы гораздо плотнее, чем в обычном веществе. Принцип запрета Паули не даёт электронам находиться в одном и том же состоянии, и при увеличении плотности вещества они вынуждены увеличивать свои скорости. Это создаёт дополнительное давление, которое предотвращает дальнейшее сжатие. Если бы все звёзды заканчивали свою жизнь белыми карликами, то тяжёлые элементы так и оставались бы запертыми в их недрах.

Но во Вселенной есть звёзды во много раз тяжелее Солнца. Сила тяготения, сжимающая их, настолько велика, что процесс катастрофического сжатия не может остановить уже ничто, и они превращаются в чёрные дыры. Достать химические элементы из чёрной дыры ещё проблематичнее, чем из белого карлика.

Но, к счастью, имеется и третий, промежуточный вариант. Звёзды, масса которых лежит в некотором диапазоне, уже достаточно тяжелы, чтобы их сжатие не остановилось на формировании белого карлика, но недостаточно массивны, чтобы сколлапсировать в чёрную дыру. На каком-то этапе сжатия такой звезды её плотность достигает плотности атомного ядра, при этом электроны начинают «вдавливаться» в протоны, превращая их в нейтроны. В итоге звезда превращается в сверхплотный шар, состоящий из нейтронов, – нейтронную звезду. Примечательно, что заметную роль в этом процессе играет слабое взаимодействие. Протон, превращаясь в нейтрон, испускает две частицы – позитрон и нейтрино. Позитрон быстро аннигилирует с ближайшим электроном, а нейтрино навсегда покидает место катастрофы.

Я недаром упомянул катастрофу, потому что высвобождающаяся в описанном процессе энергия столь велика, что какое-то непродолжительное время светимость звезды оказывается сравнимой со светимостью целой галактики, состоящей из сотен миллиардов звёзд. Астрономы называют такое явление взрывом, или вспышкой, сверхновой.

В повседневной физике и химии нейтрино не играют существенной роли. Они могут свободно проникать сквозь гигантскую толщу вещества, например сквозь слой свинца толщиной в несколько световых лет. Солнечные нейтрино свободно проходят сквозь Землю, сквозь еду и напитки на нашем столе, сквозь наши тела, не оказывая на них никакого воздействия. Но наше существование целиком определяется существованием нейтрино. Нейтрино, высвобождающиеся при взрыве сверхновой, несмотря на свою почти полную беспомощность, столь многочисленны, что создают чудовищное давление, размётывающее не успевшее сжаться в нейтронное ядро вещество звезды во все стороны. Это приводит к тому, что часть вещества звезды вместе с накопившимися в нём за время её жизни химическими элементами выбрасывается в межзвёздное пространство.

Крабовидная туманность, являющаяся остатком сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году

Наше Солнце – относительно молодая звезда. Возраст Вселенной составляет около 14 миллиардов лет, в то время как Солнце образовалось не более пяти миллиардов лет назад. К тому времени уже успело родиться и умереть первое поколение звёзд, наполнивших Вселенную тяжёлыми элементами, из которых сформировалась наша Солнечная система. И нам действительно повезло, что в мире существуют неуловимые нейтрино – существуют в обычном, житейском смысле этого слова.

Существует множество вариантов, при которых всё на ядерной кухне могло бы пойти наперекосяк. Если бы в природе отсутствовали слабые взаимодействия или если нейтрино были бы слишком тяжёлыми, то протоны не смогли бы превращаться в нейтроны в процессе ядерного синтеза. Синтез углерода крайне чувствителен к свойствам ядра 12C. Одним из крупных научных событий XX века стало предсказание космологом Фредом Хойлом одного из таких свойств, исходя только лишь из факта нашего существования. В начале 1950-х годов Хойл заявил, что существует «бутылочное горло» в цепочке синтеза тяжёлых элементов в звёздах. Оно не позволяло продвинуться в синтезе элементов дальше гелия-4. Синтез следующих элементов обычно идёт путём присоединения протона к существующему ядру, но стабильного ядра с атомной массой 5 не существует, и выходит, что не существует простого способа получить химические элементы тяжелее гелия.

Но раз нет простого пути, пойдём сложным. Пусть два ядра гелия-4, столкнувшись, образуют ядро с атомной массой 8. Это ядро является изотопом бериллия. Если спустя небольшое время с ядром бериллия-8 столкнётся ещё одно ядро гелия-4, то они образуют ядро с атомной массой 12, а это – хорошо известный нам углерод, являющийся основой органической химии. Тем не менее в этой красивой схеме есть серьёзный изъян.

Бериллий-8 – очень нестабильный изотоп. Он распадается настолько быстро, что не успевает дождаться, пока с ним столкнётся ядро гелия-4, если только не произойдёт чудо. Таким чудом могло бы стать наличие у атома углерода возбуждённого состояния, так называемого резонанса, причём энергия этого возбуждённого состояния должна иметь строго определённую величину – 7,82 МэВ. В этом случае вероятность захвата ядром бериллия-8 ещё одного ядра гелия-4 возрастает во много раз, что оказывается достаточным для продолжения цепочки синтеза более тяжёлых элементов. И представьте себе: в скором времени у ядра углерода-12 действительно было открыто возбуждённое состояние, и его энергия оказалась в точности равной предсказанной Хойлом! Окажись энергия этого состояния чуть больше или чуть меньше, и синтез ядер тяжелее гелия стал бы невозможным, а вместе с ним стало бы невозможным и возникновение жизни.

Энергия хойловского резонанса углерода очень чувствительна к значению некоторых фундаментальных констант, в том числе – к значению постоянной тонкой структуры. Измените величину постоянной тонкой структуры всего на несколько процентов, и углерода во Вселенной не будет, а без углерода не будет жизни. Именно это имел в виду Хойл, когда говорил, что «всё выглядит так, будто некий суперинтеллект играется с физикой, а также с химией и биологией».

Синтез – синтезом, но очевидно, что никакого синтеза у нас не будет, если во Вселенной не будет звёзд. Вспомним, что совершенно однородная Вселенная не способна породить звёзды и галактики. Их существование зависит от наличия на самом раннем этапе эволюции Вселенной небольших неоднородностей, сгустков и комков. Контраст плотности в ранней Вселенной составлял порядка 10–5, но что бы произошло, если бы он оказался немного большим или меньшим? Если бы степень комковатости была в десять раз меньше, то есть 10–6, то галактики оказались бы слишком маленькими, а звёзды чересчур редкими. Взрывы сверхновых также происходили бы гораздо реже, и к настоящему времени большая часть Вселенной представляла бы собой чрезвычайно разреженные облака водорода и гелия. Если уменьшить контраст плотности ещё чуть-чуть, то образование галактик и звёзд станет вообще невозможным.

А если увеличить начальную комковатость, скажем, в 100 раз? Тогда Вселенная наполнится гигантскими монстрами, которые проглотят всё вещество задолго до того, как из него успеют сформироваться первые звёзды. Не беспокойтесь, я ещё не сошёл с ума. Гигантскими монстрами я метафорически называю гигантские чёрные дыры. Помните, что сила гравитационного притяжения пропорциональна произведению взаимодействующих масс? Если вариации плотности будут слишком большими, то гравитация очень быстро соберёт вещество в области с повышенной плотностью, которые через короткое время провалятся под горизонт. Даже увеличение первоначального контраста плотности всего в 10 раз, до 10–4, создаст угрозу для возникновения жизни, поскольку плотность звёзд в Галактике будет слишком велика и это повысит вероятность катастрофического столкновения Солнца с другой звездой.

Таким образом, исходная степень неоднородности Вселенной порядка 10–5 имеет важное значение для возникновения жизни. Но может быть, такое значение контраста плотности с легкостью возникает естественным путём? Конечно, нет! Необходимо очень точно подогнать исходные параметры раздувания Вселенной, чтобы получить желаемый результат. Опять проделки хойловского суперинтеллекта?

И это ещё не всё. Законы Физики элементарных частиц требуют, чтобы каждой частице соответствовала античастица. Каким же образом во Вселенной возник такой большой перевес материи над антиматерией? Мы, физики, предполагаем, что произошло следующее.

Когда Вселенная была молодой и горячей, она была заполнена плазмой, содержавшей почти равное количество материи и антиматерии. Дисбаланс был крайне мал. На каждые 100 000 000 антипротонов приходился 100 000 001 протон. В процессе охлаждения Вселенной частицы и античастицы аннигилировали друг с другом, превращаясь в фотоны. Сто миллионов антипротонов нашли сто миллионов партнёров и совершили массовое самоубийство, оставив после себя 200 000 000 фотонов и единственный живой протон. Из этих немногочисленных выживших и состоит всё вещество современной Вселенной. Если сегодня взять кубический метр межгалактического пространства, он будет содержать в среднем 1 протон и 200 000 000 фотонов. Если бы на начальном этапе не было этого небольшого дисбаланса между веществом и антивеществом, некому было бы сегодня читать эту книгу.

Ещё одним важным условием для возникновения жизни является чрезвычайная слабость гравитационного взаимодействия. В повседневной жизни гравитация не кажется нам слабой. Чем старше мы становимся, тем больше хлопот доставляет нам сила тяжести. Я до сих пор слышу причитания моей бабушки: «Ой-вей, я чувствую, что вешу тысячу фунтов!» Но я не припомню, чтобы она когда-либо жаловалась на величину электромагнитного или сильного взаимодействия. Тем не менее если вы сравните величины электромагнитного и гравитационного взаимодействия между протоном и электроном, то увидите, что электрическое притяжение примерно в 1041 раз сильнее гравитационного. Откуда взялось такое огромное соотношение? Физики имеют кое-какие соображения на этот счёт, но я по секрету скажу вам, что на самом деле никто не знает причин такого гигантского различия между величиной электромагнитного и гравитационного взаимодействий, несмотря на важное значение этого различия для нашего существования. К чему бы привело небольшое увеличение силы гравитационного взаимодействия? Ответ вы уже многократно слышали: некому было бы задавать подобные вопросы. Увеличение температуры и давления в недрах звёзд из-за необходимости противостоять более сильной гравитации, стремящейся сжать звезду, привело бы к слишком быстрому расходованию ядерного горючего. Звёзды жили бы слишком мало, не оставляя времени для развития жизни на обращающихся вокруг них планетах. Хуже того, Вселенная быстро наполнилась бы звёздными трупами – чёрными дырами, которые высосали бы из неё остатки вещества, обрекая процесс возникновения жизни на неудачу ещё до его начала. Слишком сильное гравитационное взаимодействие может даже остановить хаббловское расширение, стянув Вселенную обратно в то состояние, из которого она возникла.

Насколько серьёзно следует относиться к этому набору счастливых случайностей? Дают ли они веские основания для принятия антропного принципа? На мой взгляд, всё это впечатляет, но не настолько, чтобы, не раздумывая, кинуться в объятия антропного объяснения. Ни одно из этих совпадений, за исключением слабости гравитации, не требует особо точной настройки соответствующих констант. И даже слабость гравитации имеет вполне рациональное объяснение, связанное с магией суперсимметрии. Взятые все вместе, эти совпадения могут показаться маловероятной массовой аварией, но иногда случаются и массовые аварии.

Однако малость космологической постоянной – это совпадение совсем иного рода. Чтобы сделать первые 119 десятичных знаков вакуумной энергии нулями, нужно нечто большее, чем простая случайность. Космологическая постоянная оказалась не просто очень мала. Если бы она была, например, равна нулю, ещё можно было бы подвести под это значение какую-нибудь разумную математическую или физическую базу. Событием, обрушившимся на наши головы, как тонна кирпичей, стало открытие, показавшее, что 120-й десятичный знак отличен от нуля. Перед этим загадочным фактом оказалась бессильна вся наша математическая магия.

Но даже космологической постоянной не удалось бы склонить для меня чашу весов в пользу антропного принципа, если бы не открытие гигантского ландшафта, которое принесла нам теория струн.

 

Когда антропный принцип имеет смысл?

Предположим, что мы с вами являемся партнёрами в деле создания пригодных для жизни Вселенных. Ваша задача – придумать все необходимые ингредиенты и представить эскизный проект. Моя – найти на Ландшафте место, удовлетворяющее техническому заданию. Итак, вы придумываете конструкцию, а я отправляюсь исследовать Ландшафт. Если бы Ландшафт содержал лишь несколько долин, я бы почти наверняка не нашёл среди них подходящей. И на ближайшем совещании по проекту я бы доложил, что ваш проект никуда не годится, потому что найти долину, удовлетворяющую его требованиям, невозможно.

Но будучи немного знакомым с теорией струн, вы могли бы поставить моё суждение под сомнение, спросив: «Уверены ли вы, что обшарили каждый уголок в каждой долине? Вы исследовали все 10500 долин? Среди такого количества возможностей обязательно должно обнаружиться то, что мы ищем. Не тратьте время, перебирая наиболее часто встречающиеся, похожие друг на друга варианты, ищите что-нибудь уникальное».

Это подводит нас к новому критерию приемлемости антропного объяснения. Количество математически согласованных возможностей должно быть настолько велико, чтобы даже очень маловероятные варианты могли найтись по крайней мере в нескольких долинах.

Этот критерий имеет смысл применять только в контексте точной теории Ландшафта. Чтобы далеко не ходить за примером, вернёмся к нашим рыбам. Осетрологи, апеллируя к ньютоновскому закону всемирного тяготения, могли бы заявить, что его уравнения допускают существование круговых орбит планет на любом расстоянии от звезды. Планеты, находящиеся на очень далёких орбитах, слишком холодны, вода и даже метан там превращаются в лёд. Планеты, орбиты которых расположены слишком близко к звезде, слишком горячи, и вода там мгновенно закипает. Но где-то между этими крайними случаями должна существовать орбита, где температура на планете идеально подходит для существования жидкой воды. Теория даёт так много решений, что среди них обязательно найдётся то, которое нас удовлетворит.

Строго говоря, планета может вращаться вокруг звезды не на любом расстоянии. Солнечные системы во многом похожи на атомы: солнце и планеты напоминают атомное ядро и электроны. Как первым понял Нильс Бор, электроны могут находиться только на определённых орбитах, разрешённых законами квантовой механики. То же относится и к планетам. Но к счастью, количество возможных орбит настолько велико и они настолько плотно расположены, что для практических целей можно считать их распределение по расстоянию от звезды непрерывным.

Осетрологам недостаточно знать, что их требования к существованию жизни математически согласованы. Они должны быть уверены, что Вселенная достаточно велика и разнообразна, чтобы в действительности содержать почти всё, что теоретически может существовать. Наблюдаемая часть Вселенной содержит 1011 галактик, в каждой из которых существует не менее 1011 планет. Итого мы имеем 1022 возможностей удовлетворить специальным требованиям для существования жидкой воды. При таком обилии планет наверняка найдутся обитаемые.

Приведу ещё несколько соображений.

Для антропного объяснения факта X мы должны иметь серьёзные основания полагать, что если бы X был иным, то существование жизни нашего типа было бы невозможным. Именно это показал Вайнберг в отношении значения космологической постоянной.

Даже если X представляется совершенно невероятным, достаточно богатый ландшафт с огромным количеством долин может содержать долину, в которой X – обычное явление. Вот где проявляются удивительные следствия теории струн. Ландшафт уже вовсю изучается в университетах США и Европы, и большинство научных результатов указывают на существование невообразимого разнообразия долин, число которых, скорее всего, превышает 10500.

И последнее по счёту, но, конечно же, не по важности: космология, построенная на основе теории струн, должна естественным образом привести нас к Супермегаверсуму, настолько огромному, что любой возможный регион Ландшафта будет представлен в нём по крайней мере одной карманной вселенной. Теория струн в сочетании с идеей инфляции выглядит подходящим решением для нашего проекта. Но об этом – в следующих главах.

Антропный принцип – это бельмо на глазу теоретической физики. Многие физики очень экспрессивно реагируют на его упоминание. Причину такой реакции понять нетрудно. Антропный принцип угрожает господствующей парадигме, утверждающей, что все наши знания о природе могут быть полностью выражены языком математики. Обоснованны ли их аргументы? Более того, имеют ли они смысл?

Давайте посмотрим на некоторые из их возражений с точки зрения умных рыб. Утверждение, что антропный принцип – это не наука, а религия, – очевидный выстрел мимо цели. По мнению Андрея и Александра, нет никакой необходимости в божественном вмешательстве для тонкой настройки мира в интересах своих творений. Во всяком случае, большинство мест в нашем мире являются весьма негостеприимными и гораздо более смертоносными, чем когда-либо могли вообразить себе фишики. В действительности ихтиотропный принцип, в той форме, в которой его предложили Андрей и Александр, полностью исключает любую мистику из «фишического» описания мира.

Более актуальным является возражение, что, апеллируя к антропному принципу, физика теряет свою предсказательную силу. В какой-то степени это верно, если мы претендуем на предсказание температуры нашей планеты, количества солнечного света, которое она получает, точной продолжительности года, высоты приливов, солёности океана и т. п. Но отвергать ихтиотропное объяснение некоторых свойств окружающей среды на том только основании, что при этом теряется предсказательная сила, нерационально. Требование абсолютной предсказательной силы имеет под собой эмоциональную основу, не имеющую ничего общего с объективными фактами планетарной науки.

Сетования о том, что умная рыба отказывается от традиционных путей поиска научного объяснения, выражают психологический дискомфорт, но очевидно не имеют под собой научных оснований. В какой-то момент требования фишиков превращаются в религиозный догмат.

Из всех критических замечаний, которые я слышал в отношении антропного принципа, я могу отнести к серьёзным научным аргументам только одно. Оно принадлежит двум моим близким друзьям, Тому Бэнксу и Майку Дину, не разделяющим мои идеи.

Вот что они говорят.

Предположим, что в природе существует некая тонкая настройка, не имеющая антропного значения. Например, Солнце и Луна имеют на небосводе один и тот же видимый размер. Во время солнечных затмений лунный диск почти точно закрывает солнечный. Это очень удачное совпадение для солнечной астрономии: оно позволяет астрономам производить наблюдения, которые в противном случае потребовали бы серьёзных ухищрений. Например, они могут изучать во время затмения солнечную корону. Они также могут точно измерить угол, на который гравитационное поле Солнца отклоняет свет, проходящий вблизи солнечной поверхности. Но эта необыкновенно точная настройка не имеет никакого значения для возможности жизни на Земле. Более того, вполне вероятно, что у большинства обитаемых планет нет спутников, видимый диаметр которых на небе так точно соответствует видимому диаметру звезды. Вероятность найти среди обитаемых миров планету с таким удачным расположением спутника и звезды крайне мала. Так что если мы не верим в неожиданные совпадения, объяснение нашего мира должно представлять собой нечто иное, нежели случайный выбор, подчиняющийся только антропным ограничениям.

Совпадение видимых размеров Солнца и Луны не представляет собой серьёзной проблемы. Точность этого совпадения не является феноменальной. Разница в средних видимых размерах составляет около одного процента. Один процент совпадений бывает в одном случае из ста. Вероятность такого события больше, чем вероятность попасть в автомобильную аварию. Но что, если бы видимые размеры Солнца и Луны совпадали с точностью до одной триллион триллион триллионной? Такое совпадение выглядело бы настолько маловероятным, что потребовало бы объяснения. И для этого объяснения пришлось бы привлечь что-то ещё в дополнение к антропному принципу. Это ставит под сомнение идею, что необъяснимые уникальные особенности Вселенной имеют что-либо общее с возможностью возникновения в ней жизни.

Существует по крайней мере одна очень необычная особенность Законов Физики, которая выглядит как очень тонкая настройка и при этом не требует антропного объяснения. Она имеет отношение к протону, но сначала рассмотрим свойства его почти близнеца – нейтрона. Нейтрон является примером нестабильной частицы. Не связанные внутри ядра нейтроны живут около 12 минут, прежде чем распасться. Разумеется, нейтрон имеет массу, или, что эквивалентно, энергию, которая не может исчезнуть просто так. Энергия – это величина, которую физики считают сохраняющейся. Это означает, что общее количество энергии никогда не может измениться. Примером ещё одной строго сохраняющейся величины является электрический заряд. Когда нейтрон распадается, его должно заменить что-то с той же суммарной энергией и электрическим зарядом. В природе нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Начальные и конечные энергия и электрический заряд в этой реакции одни и те же.

Почему нейтрон распадается? А если бы этого не происходило, то логичным был бы вопрос, почему он не распадается? Как однажды заметил Мюррей Гелл-Манн, цитируя Теренса Уайта: «Все, что не запрещено, то обязательно». Этой фразой Гелл-Манн хотел выразить одну особенность квантовой механики, являющуюся следствием квантовых флуктуаций: всё, что не запрещено законами природы, рано или поздно происходит.

А что относительно протонов? Может быть, они тоже распадаются, и если да, то на что они распадаются? Самым простым вариантом может быть распад протона на фотон и позитрон. Фотон не имеет заряда, протон и позитрон имеют одинаковые заряды. Поэтому нет причин, которые могли бы помешать протонам распадаться на фотоны и позитроны. Не существует никакого физического принципа, который бы запрещал это. Большинство физиков считают, что если предоставить протону достаточно времени, он в конце концов распадётся.

Но если протон может распадаться, это означает, что могут распадаться и все атомные ядра. Мы знаем ядро атома водорода как самое стабильное из всех известных нам атомных ядер. Время жизни протона должно во много раз превышать возраст Вселенной.

Должна быть причина, по которой протон живёт так долго. Может быть, эта причина имеет антропный характер? Конечно, наше существование налагает определённые ограничения на время жизни протона. Оно, очевидно, не может быть слишком малым. Предположим, что протон жил бы один миллион лет. Тогда мне не пришлось бы беспокоиться о том, что за время моей жизни распадётся слишком много протонов, но поскольку возраст Вселенной составляет более 10 миллиардов лет, то если бы протон жил только один миллион лет, все протоны распались бы задолго до моего рождения. Таким образом, антропное ограничение на время жизни протона намного превышает продолжительность человеческой жизни. Протон должен жить по крайней мере 14 миллиардов лет.

На самом деле, с позиции антропного принципа, время жизни протона должно намного превышать возраст Вселенной. Предположим, что время жизни протона составляет 20 миллиардов лет. Распад нестабильных частиц – непредсказуемое событие, которое может произойти в любое время. Говоря, что время жизни протона составляет 20 миллиардов лет, мы имеем в виду среднюю статистическую продолжительность жизни, но при этом какие-то протоны распадутся в течение одного года, а какие-то доживут до триллиона.

Наше тело состоит из приблизительно 1028 протонов. При средней продолжительности жизни протона в 20 миллиардов лет примерно 1018 протонов человеческого тела распадутся в течение одного года. Это очень незначительная часть ваших протонов, поэтому нет нужды беспокоиться, что вы распадётесь вслед за ними, но каждый протон, распадаясь, рождает высокоэнергетические частицы: фотоны, позитроны и пионы. Эти частицы, пролетая через человеческое тело, оказывают такое же воздействие, как радиация, – убивают живые клетки. Если в течение года в человеческом теле распадутся 1018 протонов, это, безусловно, убьёт человека. Таким образом, антропное ограничение на время жизни протона оказывается гораздо более сильным, чем кажется на первый взгляд. Насколько мы можем судить, время жизни протона должно не менее чем в миллион раз превышать время жизни Вселенной, то есть составлять не менее 1016 лет, – только так можно избежать угрозы для существования жизни. На антропных основаниях следует исключить из списка пригодных для жизни долин Ландшафта все, где время жизни протона составляет меньше 1016 лет.

Но нам известно, что протон живёт значительно дольше 1016 лет. В цистерне с водой содержится примерно 1033 протонов, и если мы ожидаем увидеть один распад протона в течение года, время жизни протона должно составлять 1033 лет. В надежде зафиксировать распад протона физики построили огромные подземные цистерны с водой, оборудованные фотоэлектрическими датчиками. Сложные современные детекторы способны обнаружить вспышку света от единственной распавшейся частицы. Но пока всё тщетно. За всё время этих экспериментов не зафиксировано ни одного распада протона. Это свидетельствует о том, что время жизни протона существенно превышает 1033 лет, но причина такой долговечности протона неизвестна.

Проблему усугубляет тот факт, что мы не знаем ни одной причины, по которой ландшафт теории струн не мог бы содержать долин, в которых Законы Физики пригодны для жизни, но где протоны живут только 1016–1017 лет. Потенциально количество таких долин может значительно превышать количество долин, более благоприятных для жизни.

Всё это вызывает серьёзную озабоченность, но, скорее всего, не остановит работу над теорией. К сожалению, мы не обладаем достаточной информацией о Ландшафте, чтобы оценить, какой процент его обитаемых долин содержит столь долгоживущие протоны. Но основания для оптимизма есть. Стандартная модель без дополнительных модификаций не допускает распада протона. Этот запрет не имеет ничего общего с антропным принципом. Это просто математическое свойства стандартной модели, запрещающее распад протона. Если типичная обитаемая долина требует чего-то, похожего на Стандартную модель, стабильность протона может прилагаться к ней в качестве бонуса.

Но нам известно, что Стандартная модель неполна. Она не включает гравитацию. Несмотря на то что Стандартная модель очень хорошо описывает поведение элементарных частиц, она должна быть заменена другой, более полной. Есть много претендентов на замену Стандартной модели. Например, теория под названием Теория великого объединения, которая, несмотря на претенциозное название, видится весьма перспективной. Простейшее обобщение Стандартной модели на Теорию великого объединения даёт оценку времени жизни протона порядка 1033–1034 лет.

Существуют и другие расширения Стандартной модели, которые не так хорошо разработаны. Одно из них, основанное на суперсимметрии, приводит к значительно меньшему времени жизни протона и требует корректировки. Необходимо получить гораздо больше информации, прежде чем мы сможем делать далеко идущие выводы. К счастью, эксперименты в области физики элементарных частиц в ближайшем будущем, я надеюсь, смогут пролить свет как на справедливость Стандартной модели, так и на причины необычной стабильности протона. Оставайтесь с нами – продолжение через несколько лет.

 

Философские возражения

В аннотации к статье «Научные альтернативы антропного принципа» физик Ли Смолин пишет:

«В работе подробно объясняется, почему антропный принцип не может дать каких-либо фальсифицируемых предсказаний и поэтому не может быть частью науки».

Во введении к статье он продолжает: «…я намеренно выбрал такое провокационное название, чтобы выразить то чувство разочарования, которое я испытывал на протяжении многих лет, наблюдая, как здравомыслящие люди, многие из которых являются уважаемыми и вызывающими восхищение учёными, поддерживают подход к космологической проблеме, ненаучность которого видна невооружённым глазом. Я имею в виду, конечно, антропный принцип. Называя его ненаучным, я имею в виду вполне конкретную вещь, которая является неотъемлемым атрибутом любой гипотезы или теории, претендующей на право считаться научной. Эта вещь называется фальсифицируемостью. Согласно [философу] Попперу, теория является фальсифицируемой, если на её основе можно получить однозначные предсказания для постановки экспериментов, возможные отрицательные результаты которых в принципе могли бы рассматриваться в качестве опровержения по крайней мере одного положения этой теории».

Ричард Фейнман однажды заметил: «Философы много говорят о том, что абсолютно необходимо для науки, и это всегда, насколько можно видеть, довольно наивно и, вероятно, неверно». Фейнман имел в виду среди прочих и Поппера. Большинство физиков типа Фейнмана обычно не жалуют философию своим вниманием, если только они не пытаются использовать её для доказательства ненаучности чужой теории.

Честно говоря, я бы предпочёл избежать философского дискурса, порождаемого антропным принципом. Но проповеди всяких попперацци в сводках новостей и в интернет-блогах о том, что научно, а что ненеучно, стали настолько агрессивными, что я счёл необходимым ответить на это. Моё мнение о ценности строгих философских правил в науке совпадает с мнением Фейнмана. Позвольте мне процитировать фрагмент одной дискуссии с сайта edge.org. Это короткие сообщения, написанные в ответ на работу Смолина. Аргументы Смолина я также привожу, поскольку они продуманны и интересны.

В течение всей моей многолетней карьеры учёного я слышал обвинения в нефальсифицируемости в отношении такого количества важных и интересных идей, что начал склоняться к уверенности, что нет для теории большей заслуги, чем подвергнуться подобной критике. Я приведу несколько примеров:

«Из психологии. Вы, наверное, думаете, что все соглашаются с утверждением, что у каждого человека есть скрытая эмоциональная жизнь. Б. Ф. Скиннер с этим не согласен. Он был гуру научного направления, называемого бихевиоризмом, отрицающим всё, что не может быть непосредственно наблюдаемо, как ненаучное. Единственным предметом психологии, согласно бихевиористам, является внешнее поведение. Заявления об эмоциональном внутреннем мире пациента были исключены как нефальсифицируемые и ненаучные. Большинство из нас сегодня могли бы заявить, что это глупый экстремизм. Современная психология глубоко интересуется эмоциями и их развитием».

«Из физики. В первые дни кварковой теории многие её противники обвиняли теорию в нефальсифицируемости. Кварки постоянно связаны друг с другом в протоны, нейтроны и мезоны. Они не могут быть разделены и зарегистрированы индивидуально. Они, если можно так сказать, постоянно скрыты за вуалями различного рода. Большинство физиков, критиковавших идею кварков, имели свои собственные представления об элементарных частицах, в которые кварки просто не вписывались. Но сегодня уже никто не сомневается в теории кварков, несмотря на то что до сих пор никому так и не удалось зарегистрировать свободный кварк. Сегодня кварковая модель – это часть фундамента современной физики».

«Ещё одним примером является инфляционная теория Алана Гута. В 1980 году казалось невозможным заглянуть в эпоху инфляционного расширения и увидеть прямые доказательства этого явления. Непроницаемая завеса под названием “поверхность последнего рассеяния” предотвращала любые попытки увидеть инфляционный процесс. Многих из нас сильно беспокоило отсутствие хорошего способа проверки инфляционной теории. Некоторые, обычно авторы конкурирующих гипотез, утверждали, что инфляционная теория нефальсифицируема и поэтому ненаучна».

«Я могу представить себе гвардейцев Ламарка, критикующих Дарвина: “Ваша теория нефальсифицируема, Чарльз. Вы не можете отправиться назад во времени, на миллионы лет, в течение которых действует естественный отбор. У вас всегда будут только косвенные доказательства и нефальсифицируемые гипотезы. Напротив, наша ламаркистская теория является научной, потому что она фальсифицируема. Всё, что мы должны сделать, – это выделить популяцию, особи которой будут проводить каждый день по несколько часов в тренажёрном зале, поднимая тяжести, и через несколько поколений их дети станут рождаться с уже накачанными мускулами”. Ламаркисты были правы: их теория легко фальсифицируема – слишком легко. Но это не делает её лучше, чем теория Дарвина».

«Есть люди, утверждающие, что мир был создан 6000 лет назад сразу со всеми геологическими образованиями, распространённостью изотопов и костями динозавров. Почти все учёные тычут пальцем в труды Поппера и заявляют: “Не фальсифицируемо!” И я готов с ними согласиться. Но ведь и противоположная точка зрения, утверждающая, что Вселенная не была создана таким образом, – она тоже нефальсифицируема. Кстати, именно это и говорят креационисты. Строгий критерий фальсифицируемости делает научный и креационистский подход одинаково ненаучными».

Абсурдность этой позиции, я надеюсь, понятна читателю.

«Хорошая научная методология не является абстрактным набором правил, продиктованным философами. Она обусловлена и определяется самой наукой и учёными, которые эту науку создают. То, что могло представлять научное доказательство для физика 1960-х годов, а именно обнаружение изолированной частицы, не подходит для современного специалиста по квантовой хромодинамике, который не может надеяться на обнаружение свободного кварка. Давайте не будем ставить телегу впереди лошади. Наука – это лошадь, которая тянет телегу философии».

«В каждом конкретном случае, который я описал – кварки, инфляция, дарвиновская эволюция, – обвинители делали ошибку, недооценивая человеческую изобретательность. Всего через несколько лет после создания теория кварков была косвенно подтверждена с высочайшей точностью. Понадобилось 20 лет, чтобы появились наблюдения, подтверждающие теорию инфляции. И 100 лет пришлось ждать экспериментального подтверждения идей Дарвина (кое-кто считает, что решающая проверка дарвинизма ещё впереди). Мощные методы исследования, ставшие доступными биологам спустя столетие, были просто немыслимы во времена Дарвина. Станет ли когда-нибудь возможной проверка теории вечной инфляции и Ландшафта? Я, разумеется, думаю, что да, хотя, как и в случае с кварками, это окажутся только косвенные подтверждения, опирающиеся на чисто теоретические выкладки в большей степени, чем нам бы того хотелось».

После того как был написан этот материал, я вспомнил о ещё нескольких примерах чрезмерного попперизма. Наиболее ярким примером является теория S-матрицы, господствовавшая в 1960-х годах, утверждающая, что поскольку элементарные частицы слишком малы, то любая теория, которая пытается описать их внутреннюю структуру, является нефальсифицируемой и потому ненаучной. Опять же никто сегодня уже не воспринимает это всерьёз.

Показательный пример из конца XIX века связан с одним из знаменитых учёных – Эрнстом Махом. Мах был физиком и философом. Его работы вдохновляли Витгенштейна и логических позитивистов. В то время, когда он активно занимался научной деятельностью, гипотеза молекулярного строения вещества всё ещё оставалась недоказанной гипотезой, и так продолжалось вплоть до 1905 года, в котором Эйнштейн опубликовал свою знаменитую работу о броуновском движении.

Несмотря на то что Больцман уже показал, что свойства газов могут быть объяснены атомистической теорией, Мах настаивал на том, что до сих пор никому не удалось доказать реальность атомов. Он допускал, что атомистическая теория могла служить полезной математической моделью, но упорно утверждал, что невозможность фальсификации подрывает её статус настоящей научной теории.

Фальсификация – это, на мой взгляд, отвлекающий манёвр, но подтверждение – уже совсем другая история (возможно, это то, что на самом деле имел в виду Смолин). Под подтверждением я имею в виду прямые положительные доказательства гипотезы, а не отсутствие опровергающих её данных. Теория вечной инфляции, описанная в главе 11, и существование множества карманных вселенных не могут быть подтверждены таким же способом, каким умные рыбы могли бы подтвердить свою версию ихтиотропного принципа. Не нарушая законы природы, осетрологи способны построить заполненные водой сверхпрочные корабли, подняться в них на поверхность океана и наблюдать другие планета, звёзды и галактики. Возможно, им даже удалось бы посетить эти небесные тела и подтвердить существование огромного разнообразия различных условий. К сожалению, есть непреодолимые препятствия (см. главу 12) для осуществления подобной программы исследований в отношении карманных вселенных. Принципиальным моментом является существование космических горизонтов, отделяющих нас от других карманов. В главах 11 и 12 мы обсудим горизонты и вопрос, являются ли они действительно непреодолимым барьером для получения информации. Но критики, безусловно, правы в том, что в обозримом будущем мы застряли в нашем собственном кармане без какой бы то ни было возможности непосредственного наблюдения других вселенных. Как в случае с кварками, подтверждение не будет прямым и будет опираться преимущественно на теоретические доказательства.

Что касается строгих философских правил, было бы верхом глупости отказываться от какой-либо идеи только потому, что она нарушает чьи-то философские изречения о фальсифицируемости. Как правильно отвечать критикам, когда происходит нечто подобное? Я думаю, единственное, что нужно сказать, – что мы делаем всё возможное, чтобы найти объяснения закономерностям, которые наблюдаем в окружающем мире. Время отделит хорошие теории от плохих, и они станут частью науки. Плохие теории займут своё законное место на свалке истории. Как подчеркнул Вайнберг, у нас нет никаких объяснений малости космологической постоянной, кроме антропной аргументации. Станет ли антропный принцип частью науки или будет списан в утиль? Ни строгие философские правила, ни учёные не смогут помочь ответить на этот вопрос. Подобно тому, как генералы всегда готовятся к прошедшей войне, философы всегда разбираются только в прошлых научных революциях.

В завершение этой главы я хотел бы обсудить одно из наиболее популярных возражений против антропного принципа. Его суть в том, что антропный принцип не является неверным, он является просто глупой тавтологией. «Конечно же, мир должен быть таким, чтобы в нём была возможна жизнь. Жизнь – это наблюдаемый факт. И, разумеется, там, где нет никакой жизни, некому наблюдать Вселенную и задавать эти дурацкие вопросы. И что из этого следует? То, что антропный принцип не сообщает нам ничего нового, кроме факта нашего собственного существования».

Введём новый принцип – я назову его головотропным. Головотропный принцип предназначен для ответа на вопрос: «Как так получилось, что мы оказались обладателями такого большого и мощного мозга?» Вот как звучит ответ:

«Законы биологии требуют наличия существа с чрезвычайно развитым мозгом объёмом не менее 1400 кубических сантиметров, потому что без наличия такого мозга некому будет даже поинтересоваться, каковы законы биологии».

Это звучит чрезвычайно глупо, хотя и является правдой. Однако головотропный принцип в реальности представляет собой стенографическую запись более длинной и более интересной истории. Даже двух возможных историй. Первая история – про креационистов.

Бог сотворил человека для того, чтобы человек восхвалял и поклонялся Богу. Забудем эту историю. Задача науки состоит в том, чтобы опровергать подобные истории.

Другая история гораздо более сложная и, я надеюсь, интересная. Она имеет несколько особенностей. Прежде всего, она рассказывает о том, что Законы Физики и химии разрешают существование компьютероподобных нейронных сетей, способных проявлять интеллект. Другими словами, ландшафт биологических конструкций содержит небольшое количество очень специфических конструкций, которые мы называем разумными. Это не тривиально.

Но история требует продолжения – механизма превращения этого эскизного проекта в опытную работающую модель. Тут-то на сцену и выходит Дарвин. Случайные ошибки копирования совместно с естественным отбором приводят к появлению дерева или куста, ветви которого заполняют все доступные ниши, в том числе и нишу существ, выживаемость которых определяется их умственными способностями. Как только кто-то понял этот механизм, вопрос «Почему я просыпаюсь по утрам с таким большим мозгом?» получает точный головотропный ответ: «Потому что только большой мозг задаёт вопросы».

Антропный принцип может звучать так же глупо. «Законы Физики должны допускать существование жизни, потому что если бы они не допускали существования жизни, то не существовало бы никого, кто мог бы задать вопрос, почему Законы Физики допускают существование жизни». Критики правы – это звучит глупо, это простая констатация очевидного факта (мы существуем, поэтому законы природы должны допускают наше существование) без описания какого-либо механизма, влияния выбора Законов Физики на наше существование. Но если воспринимать антропный принцип как стенографическую запись истории существования фантастически богатого ландшафта и описание механизма его заселения (см. главу 11) карманными вселенными, то он уже не выглядит тривиальным. В нескольких последующих главах я представлю вам доказательства того, что наша лучшая математическая теория предоставляет нам именно такой ландшафт.