От Большого взрыва до наших дней

Давайте отметим на временной шкале все, что на момент написания этой книги известно об истории нашей Вселенной, от Большого взрыва до настоящего времени. Под нашей Вселенной я понимаю то, что мы сегодня можем увидеть в телескоп, и то, что мы можем заключить из этих наблюдений о прошлом этой Вселенной. Мы рассмотрим будущее в следующем разделе и возможность существования других вселенных — в следующей главе.

Поскольку наши нынешние знания из области физики, основанные на экспериментах с ускорителями, доходят «всего лишь» до момента 10-12 с после Большого взрыва, мы можем в лучшем случае гадать о более ранних временах. Впрочем, наши предположения вовсе не будут пустыми домыслами, если мы выстроим их на надежном фундаменте существующих знаний.

Читатель должен помнить, что я не претендую на описание того, что действительно существует в некой абсолютной метафизической реальности. Как я уже подчеркивал, моя философская позиция такова, что мы не можем достичь точного знания об этой реальности. Все, что мы можем, — это делать как можно больше наблюдений и описывать их с помощью математических моделей. Они основываются на близких человеку понятиях, определенных операционально, таких как время, пространство и температура. Далее приводится именно такое описание, где температуры приведены в электрон-вольтах. Не забывайте, что это упрощенная модель и наверняка не окончательная ее версия.

10 -43 с, 10 28 эВ. Планковское время . В планковское время наша Вселенная была пустой сферой планковских размеров — 10-35 м. Любая модель, которая стремится описать пустую вселенную в понятных человеку терминах пространства и времени, максимально симметрична. Она заведомо будет содержать неявные принципы сохранения, которые люди называют законами, а я обозначил как метазаконы. Не было никакого законодателя, ни естественного, ни сверхъестественного. Эти модели автоматически следуют правилам квантовой механики и относительности, которые сами вытекают из симметрии. В частности, к ним относятся принцип неопределенности и уравнения Фридмана, с помощью которых мы моделируем то, что случилось дальше.

В отсутствие частиц квантовые флуктуации плотности энергии вакуума, или, если вам угодно, кривизна пространства-времени, заставили сферу расширяться и сжиматься. В неизвестный момент времени, который обычно принимают за примерно 10м с, положительная флуктуация оказалась достаточно большой для того, чтобы вызвать инфляцию. Трение в расширяющейся Вселенной, предсказанное моделью, значительно замедлило возвращение к равновесному состоянию, и наша Вселенная экспоненциально расширилась на много порядков.

~10 -34 с, 10 24 эВ. Конец инфляции (точное время неизвестно) . Подобно затуханию колебаний гармонического осциллятора, то же трение остановило инфляцию, и вслед за ней началось почти линейное хаббловское расширение. Первые частицы были образованы из потерянной энергии. Все они были безмассовыми.

В условиях максимальной симметрии силы, посредством которых частицы взаимодействовали, были унифицированы как единая сила. Максимальная симметрия включает в себя суперсимметрию, при которой каждая частица и ее суперпартнер идентичны и имеют нулевую массу.

По мере того как расширяющаяся Вселенная охлаждалась, произошла серия спонтанных (случайных, нерукотворных, непреднамеренных) фазовых переходов, которые нарушили симметрию и дифференцировали разные типы частиц и сил друг от друга. Это был первый этап развития асимметричной структуры во Вселенной. Частицы отделились от античастиц и получили легкое преимущество. Или, точнее говоря, те из них, которые получили преимущество, мы называем частицами, а прочие — «античастицами». Бозоны обособились от фермионов, поскольку суперсимметрия нарушилась. Лептоны дифференцировались от барионов (кварков). Гравитация отделилась от сил, описываемых моделью теории великого объединения (ТВО). Частицы оставались безмассовыми.

Далее, по мере дальнейшего охлаждения, симметрия ТВО нарушилась и сильное взаимодействие отделилось от электрослабого взаимодействия. Глюоны отделились от прочих бозонов. К тому моменту Вселенная состояла из всех частиц и античастиц стандартной модели, причем кварки и глюоны формировали сильно взаимодействующую кварк-глюонную плазму, а остальные частицы свободно перемещались вокруг, разбегаясь друг от друга в весьма плотной среде. 

ПРИМЕЧАНИЕ

На большей части временных шкал, которые можно встретить в более ранних книгах и статьях, нарушающие симметрию фазовые переходы изображаются перед инфляцией, поскольку авторы предполагают, что инфлятонное поле представляет собой хиггсовское поле в ТВО (ТВОХ?). Однако это не обязательно так, и эпоха великого объединения и фазовые переходы вполне могли произойти после инфляции, когда уже были частицы, с которыми можно работать. 

10 -10 с, 100 ГэВ. Нарушение электрослабой симметрии . С этого момента мы можем делать более точные утверждения, поскольку благодаря экспериментам на ускорителях мы уже понимаем физику, действующую в данных условиях. Примерно в это время электрослабое единство стандартной модели было разрушено, а электромагнитное взаимодействие отделились от слабого ядерного взаимодействия. В результате получились четыре различные силы, которые мы можем наблюдать сейчас: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Возник бозон Хиггса и придал массу слабым бозонам и лептонам, тогда как массы фотона и глюона остались нулевыми. Таким образом, слабые силы оказались ограничены радиусом около 10–18 м, а электромагнитные силы по-прежнему действовали на бесконечно больших расстояниях. Кварки также приобрели массу по хиггсовскому механизму, но только частично и в основном благодаря сильным взаимодействиям с глюонами, которые сами по себе оставались безмассовыми и были погребены в кварк-глюонной плазме.

Суперчастицы, отошедшие на второй план после нарушения суперсимметрии, приобрели значительные массы, а самая легкая нейтральная суперчастица, возможно, стала темной материей. Но, как мы видим, в этом сценарии еще не появились суперсимметричные частицы, которые ожидалось обнаружить в БАК, так что остается некоторая неопределенность. Видимо, масса суперчастиц слишком велика, чтобы их можно было зафиксировать в этом коллайдере. Придется подождать, чтобы узнать наверняка.

10 -6 с, 1 ГэВ. Кварковый конфайнмент . Когда температура Вселенной понизилась примерно до 1 млрд. эВ, кварки и глюоны сформировали нуклоны и множество составных адронов, которые были открыты на ускорителях частиц в 1960–1970-х. Большинство из них оказались очень короткоживущими и распались, остались только протоны и нейтроны со своими античастицами, наряду с электронами, позитронами и фотонами. Все это находилось в квазиравновесном состоянии.

Примерно в то же время антинуклоны и нуклоны аннигилировали, оставив лишь одну миллиардную от первоначального числа протонов и нейтронов. Фотоны и лептоны преобладали.

1 с, 1 МэВ. Синтез легких ядер. Нейтрино рассеялись, образовав космический нейтринный фон. Начали формироваться легкие ядра. Все свободные нейтроны были включены в ядра или разложились на протоны, антинейтрино и электроны.

10 с, 100 кэВ. Аннигиляция позитронов. Позитроны и электроны аннигилировали, оставив лишь один из миллиарда электронов.

3 мин, 25 кэВ. Господство излучений. Ядерный синтез прекратился. Энергетическая плотность фотонов превысила таковую плотность у ядер, и излучения стали преобладать. Вселенная была непрозрачной, поскольку фотоны плавали в заряженной плазме из ядер и электронов, с которыми они взаимодействовали, как это происходит в плотном тумане.

60000 лет, 1 кэВ. Господство материи. Плотность ядер превысила плотность фотонов, и преобладание перешло от излучений к материи. Вселенная остается непрозрачной.

380 000 лет, 700 эВ. Рассеяние фотонов. Формируются атомы (рекомбинация), фотоны рассеиваются, и Вселенная становится прозрачной. Небо ярко-оранжевое и становится краснее по мере того, как Вселенная охлаждается. Начинает накапливаться атомное вещество, а также темная материя.

5 млн. лет, 0,01 эВ. Начинаются Темные века. Вселенная охладилась настолько, что фоновое излучение находится далеко за границами видимого спектра, и небо становится темным.

200 млн. лет, 0,002 эВ. Начинается образование звезд. Формируются первые звезды, и Темные века заканчиваются. Звезды намного больше Солнца и не содержат тяжелых элементов, поэтому они быстро сгорают и получается много сверхновых, которые синтезируют более тяжелые элементы. Излучение сверхновых заново ионизирует пространство и делает его слегка туманным, но даже и близко не настолько, как в Темные века. Свет все еще может проходить насквозь, хотя и несколько приглушается. Активные галактики, например квазары, тоже могли начать формироваться, усиливая ионизирующее излучение.

~1 млрд. лет, 0,001 эВ. Образование галактик. Формируются галактики. В них часто происходят столкновения и есть сверхновые, которые продолжают распространять в космосе тяжелые элементы, которые, в свою очередь, становятся ингредиентами для следующего поколения звезд. Эти звезды менее массивны и горят медленнее, подобно современным звездам. Образование активных галактик замедляется.

~6 млрд. лет, 4∙10 -4 эВ. Образование кластеров . Более плотные области начинают сжиматься и образуют всевозможные структуры галактических скоплений и сверхскоплений.

~7 млрд. лет, 4∙10 -4 эВ. Начинается ускорение . До этого времени расширение Вселенной замедлялось из-за преобладания материи и излучения, подверженных гравитационному притяжению. Однако их плотность падала, в то время как плотность темной энергии оставалась постоянной. Теперь ее плотность больше остальных, и поскольку ей свойственно отрицательное давление, то расширение Вселенной понемногу начинает ускоряться.

~8 млрд. лет, 3∙10 -4 эВ. Появляется привычная Вселенная . Формируются первые спиральные галактики.

9,1 млрд. лет, 3,2∙10 -4 эВ. Образуется Солнечная система . Формируются наше Солнце и планеты.

13,8 млрд. лет, 2,6∙10 -4 эВ. Настоящее время .

 

Будущее

Пусть предсказание будущего всегда рискованная задача, мы все же можем задаться вопросом, каким окажется наше будущее, если исходить из имеющихся знаний.

5 млрд. лет спустя. Прощай, Земля. Наше Солнце расходует последнее водородное топливо и становится красным гигантом, испепеляя Землю. В течение следующего миллиарда лет Солнце сжимается до белого карлика.

17 млрд. лет. Слияние. Млечный Путь и туманность Андромеды сливаются.

~40 млрд. лет. Заканчивается формирование структур. Экспоненциальное расширение, вызываемое темной энергией, перекрывает все оставшиеся гравитационные группирующие силы, и формирование структур прекращается.

~100 млрд. лет. Прощайте, другие галактики. Все остальные галактики вышли из зоны видимости Млечного Пути/туманности Андромеды, оставив эту галактику одинокой во Вселенной. В конце концов все оказывается вне зоны видимости всего остального.

~1 трлн. лет. Прощайте, звезды. Оставшиеся звезды начинают вымирать, оставляя после себя черные дыры, нейтронные звезды, бурые карлики и планеты.

10 33 –10 37 лет. Прощай, материя . Протоны и другие тяжелые частицы распадаются, оставляя после себя газ из фотонов, электронов и нейтрино, который продолжает разжижаться вечно.

Никакой тепловой смерти. В главе 5 мы выяснили, что физики XIX века разработали концепцию тепловой смерти, при которой Вселенная должна непременно достичь равновесного состояния максимальной энтропии. Однако они все еще исходили из предположения, что Вселенная представляет собой небесную твердь, тела на которой сохраняют постоянную среднюю удаленность друг от друга. В этом случае энтропия Вселенной имеет свой максимум, который, как нам известно (а им известно не было), равен энтропии черной дыры того же размера.

Но тепловая смерть никогда не наступит. Вместо этого Вселенная продолжит неограниченно расширяться и разовьется до пространства де Ситтера в чистом виде, где любой произвольно взятый участок никогда не достигнет максимальной энтропии. Далее остается возможность, что Вселенная абсолютно замкнута, то есть параметр кривизны k = 1. Разумеется, инфляция предполагает, что Вселенная все еще очень плоская, более чем одна часть 1060, но это возможно и при k = 1, когда Вселенная имеет небольшую положительную кривизну.

В любом случае, мы не можем надеяться на большое сжатие, при котором расширение останавливается, Вселенная сжимается обратно до планковской сферы и все начинается сначала. Это осциллирующая Вселенная, теория о которой в свое время была очень популярна, но это было до открытия темной энергии. Как было отмечено ранее, около 7 млрд. лет назад (на полпути до Большого взрыва) энергетическая плотность вещества и излучения упала ниже плотности темной энергии и расширение Вселенной начало ускоряться. Если источник темной энергии представляет собой космологическую постоянную или что-то очень похожее, то энергетическая плотность останется постоянной, тогда как излучение и материя исчезнут и Вселенная продолжит расширяться вечно.

 

Было ли у Вселенной начало

В 1970-е Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что в рамках общей теории относительности наша Вселенная начала свое существование как бесконечно малая точка бесконечной энергетической плотности в месте, называемом сингулярностью {315} . Теологи, в частности Уильям Лейн Крейг, вырвали это из контекста и использовали, чтобы заявить, что пространство и время должны были быть созданы в этот момент, из чего следует, что у Вселенной было начало. Вслед за этим они развивают свою аргументацию — без всякого теоретического обоснования или эмпирического подтверждения — до того, что все, что начинается, имеет свою причину. В случае же Вселенной, при всей огромной куче несоответствий, этой причиной должен быть персонифицированный христианский Бог. Однако, как отметил Хокинг в своем бестселлере 1988 года «Краткая история времени», «на самом деле при зарождении Вселенной никакой особой точки не было… при учете квантовых эффектов сингулярность может исчезнуть [из теории]». Пенроуз с этим согласился. Общая теория относительности — это не квантовая теория, и она неприменима там, где важны квантовые эффекты. Это относится, в частности, и к зарождению Вселенной.

Но Крейг и его правоверные коллеги никогда не сдаются. В споре с философом Алексом Розенбергом, который состоялся в университете Пердью 1 февраля 2013 года, и в других дискуссиях и публикациях Крейг ссылается на работу 2003 года Арвинда Борде, Алана Гута и Александра Виленкина (далее — БГВ), которая, по мнению Крейга, доказывает, что у Вселенной должно было быть начало. Следует отметить, что эта работа также основывается исключительно на общей теории относительности и не принимает во внимание квантовую механику.

Я спросил Виленкина, с которым много лет был знаком по работе: «Доказывает ли ваша теорема, что у Вселенной должно было быть начало?» Он ответил: «Нет. Но она доказывает, что у расширения Вселенной должно было быть начало. Теорему можно обойти, если принять, что до какого-то момента Вселенная сжималась». То же отмечали Энтони Агирре и Стивен Граттон, а также Шон Кэрролл и Дженнифер Чен. Кэрролл мастерски вовлек Крейга в спор о космологии в Нью-Орлеане 21 февраля 2014 года.

На рис. 15.1 мы видим схему пространства-времени, изображающую мировые линии, которые представляют собой пути в пространстве-времени частиц, вылетающих из первоисточника расширяющейся Вселенной.

Рис. 15.1. Диаграмма пространства-времени, показывающая мировые линии частиц, которые исходят из первоисточника нашей Вселенной. Они могут быть продолжены в отрицательном направлении временной оси. Авторская иллюстрация

Теорема БГВ доказала, что все мировые линии должны были исходить из точки, которую мы можем интерпретировать как начало нашей Вселенной, то есть той, в которой мы живем. Другие авторы показали, что мировые линии можно продолжить через первоисточник по отрицательную сторону временной оси.

Короче говоря, у нашей Вселенной было начало, но это не обязательно было начало всего.

Крейг предложил очередной аргумент в пользу того, что у всего было начало и, следовательно, создатель. Если бы это было не так, заявил Крейг, то все бы началось бесконечное время назад, а в этом случае мы бы никогда не достигли настоящего момента.

Вспомните, как тот же аргумент использовал в VI веке Иоанн Филопон, а в IX веке — Якуб ибн Исхак аль-Кинди (см. главу 2). Теологические аргументы не умирают. Правда, и в тень они не уходят.

В связи с этим стоит отметить, что большинство физиков и космологов (и даже многие математики) употребляют термин бесконечность не только тогда, когда они действительно имеют в виду «бесконечный» или «неограниченный», но часто просто в смысле «очень большое число». Однако, как показала блестящая работа математика Георга.

В 1925 году знаменитый математик Давид Гильберт (1862–1943) произнес речь, в которой сказал: «Бесконечное нигде не реализуется. Его нет в природе, и оно недопустимо как основа нашего разумного мышления».

Я предполагаю, что под реализацией он подразумевал измерения наблюдаемых явлений, которые мы получаем из мира нашими научными инструментами. Кроме того, я не совсем понимаю, что Гильберт имел в виду, говоря, что понятие бесконечности недопустимо как основа для разумного мышления. Определенно его и Кантора работа с бесконечностью была в высшей степени разумной. И физики-теоретики не становятся неразумными, когда используют хорошо определенное математическое понятие бесконечности в своих теориях при условии, что не позволяют себе оплошности применять его к каким-то числам, измеренным нами, физиками-экспериментаторами, или же придавать ему онтологический, платоновский смысл.

Крейг цитирует Гильберта, чтобы подкрепить свой аргумент о начале всего. Если бесконечности на самом деле не существует, то все не может быть вечным, а значит, не могло и начаться бесконечное время назад. В противном случае потребовалось бы бесконечное время, чтобы достичь настоящего момента. Однако, как я подчеркнул в главе 2 при обсуждении того же аргумента, выдвинутого Филопоном, вечная Вселенная не началась бы бесконечное время назад. У нее не было бы начала. Если вы будете крутить часы назад и отсчитывать деления: -1, -2, -3… вы никогда не доберетесь до -∞. Временной промежуток от настоящего времени до любого момента в прошлом всегда будет конечным числом делений.

Кроме того, легко увидеть, что все не обязательно должно начинаться, если обратить внимание на то, что нет никаких оснований, чтобы оно заканчивалось. Космология свидетельствует, что наша нынешняя Вселенная просто продолжит расширяться вечно. Следовательно, поскольку время абсолютно симметрично (а общепринятое направление времени — это просто определение, основанное на бытовом опыте), то, даже если мы можем идентифицировать точку в прошлом как начало Большого взрыва, это не обязательно будет начало всего. Если нет конца, то не должно быть и начала.

 

В планковское время

На рис. 15.1 показаны мировые линии, проходящие через точку в первоисточнике схемы пространства-времени. Однако следует вспомнить, что согласно квантовой механике первоисточник должен представлять собой конечную область пространства и времени, а не бесконечно малую точку. Если эта область настолько мала, насколько возможно, она должна иметь планковские измерения, то есть представлять собой четырехмерную сферу с пространственным радиусом порядка планковской длины и временным измерением порядка планковского времени — малую, но не бесконечно малую точку. Вследствие принципа квантовой неопределенности такая сфера будет иметь массу, равную планковской массе, 1028 эВ, а значит, соответствует основному критерию черной дыры, который описан в главе 6.

Поскольку мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, у нас нет никакой информации о том, что происходило до планковского времени. Таким образом, самое раннее время, которое имеет какой-либо инструментальный смысл в нашей Вселенной, — это планковское время, 10-43 с. Здесь нам снова следует провести границу между теорией и наблюдениями. Мы всегда можем записать уравнение, считая время непрерывной переменной, которая принимает сколь угодно малые значения, но мы в принципе не можем измерить временной интервал короче планковского времени. Именно поэтому я не удивляюсь, когда в какой-то теории, основанной на непрерывном пространстве-времени, возникают проблемы с бесконечностями. Эта теория всего лишь ошибочна и требует корректировки.

Как уже упоминалось, максимальная энтропия сферического тела равна энтропии черной дыры того же радиуса. Таким образом, в планковское время Вселенная находилась в состоянии полного беспорядка, или максимальной энтропии. Отсюда вытекает, что все, что могло происходить раньше, не оставило на нашей Вселенной ни малейшего следа — все, что могло сохраниться, является совершенно бессистемным. Поэтому даже если и было некое сотворение, божественное или естественное, то у нашей Вселенной не осталось об этом никаких «воспоминаний». Это исключает не только Бога большинства религий, но и деистического бога-творца эпохи Просвещения (см. главу 2). Единственный возможный бог — это «квантовый деистический» бог, который запустил Вселенную броском кости, а потом телепортировался в другую реальность. Но кому нужен такой бог, который никак ни на что не влияет?

Теперь вы можете спросить: если Вселенная начала свое существование с максимальной энтропией, не нарушает ли это второй закон термодинамики, гласящий, что энтропия в прошлом должна была быть меньше, чем сейчас? Нет, поскольку энтропия в прошлом и была меньше. Но тогда, спросите вы, как она могла быть меньше в прошлом, если в прошлом она была максимальной?

Очень просто. В планковское время энтропия была максимальной для сферы планковских размеров. По мере того как Вселенная расширялась в большом взрыве, увеличивалась и ее максимально возможная энтропия. Так что с планковского времени в ней появилось достаточно места, чтобы могли сформироваться локальные структуры, а потеря локальной энтропии при формировании структур компенсируется ростом энтропии среды, то есть всей остальной Вселенной.

 

Квантовая гравитация

Принято считать, что мы даже в теории не сможем описать события, происходившие до планковского времени, пока не разработаем квантовую теорию гравитации, которая вместит в себя все преимущества как квантовой механики, так и общей теории относительности. В настоящий момент квантовая теория поля включает специальную теорию относительности, но не общую.

Первые шаги в квантовой гравитации, сделанные Ричардом Фейнманом и другими в 1950-е, следовали образцу весьма удачной квантовой электродинамики. На место фотона со спином 1, который является носителем электромагнитного взаимодействия, был предложен безмассовый гравитон со спином 2, который должен был выполнять функцию носителя гравитационного взаимодействия между двумя массами.

Но этот математический аппарат просто не сработал, требуя других подходов, которым еще предстоит принести плоды. Большая их часть сильно зависит от суперсимметрии и может рассыпаться в прах, если суперсимметрия не подтвердится на БАК. В их числе теория струн, на которой практически целое поколение физиков-теоретиков построило собственную научную карьеру.

Гравитация определенно совсем не похожа на две остальные силы. Вы часто можете услышать даже от именитых физиков: «Гравитация в 10м раз слабее электрических сил». Но это число представляет собой всего лишь отношение сил взаимодействий между протоном и электроном и не во всех случаях верно. Если вместо них вы возьмете две частицы с теми же электрическими зарядами, но с массами, равными, скажем, планковскои массе (величине более естественной, чем масса протона или электрона), то гравитация окажется в 137 раз сильнее, чем электрическая сила! Просто не существует никакого способа определить абсолютную силу гравитации так же, как это возможно для других взаимодействий.

Однако я могу предложить простое объяснение тому, что гравитация в масштабе элементарных частиц настолько слаба по сравнению с электромагнетизмом. Их собственные массы малы, они рождаются с нулевой массой и приобретают небольшую массу благодаря хиггсовскому механизму, описанному в главе 11. Я объясню это более подробно в главе 16.

Также следует вспомнить, что в общей теории относительности Эйнштейна явление гравитации происходит из кривизны пространства и в уравнениях не участвует никакая явная гравитационная сила. В данной модели Земля находится на орбите вокруг Солнца не потому, что сила гравитации Солнца притягивает ее посредством обмена гравитонами или чем бы то ни было, — она просто следует естественному пути, которому должна следовать в отсутствие всяких сил, — геодезической линии через пространство-время, которая как раз закругляется вокруг Солнца. Позже было высказано предположение, что гравитация может быть описана как «производное» явление, которое вытекает из стремления систем двигаться в сторону большей энтропии (см. обсуждение производности в главе 5).

Даже если бы у нас была квантовая теория гравитации, похоже, что у нас не было бы возможности проверить ее предсказания в планковском состоянии, в котором она предположительно применима. Тем не менее квантовая гравитация вполне может иметь измеримые эффекты. Например, на расстояниях, близких к планковским, пространство-время должно быть «бугристым», то есть вместо гладкого континуума мы должны увидеть знаменитую квантовую пену, предложенную Джоном Уилером в 1955 году.

Как ни удивительно, оказывается, что эта пенистость, в принципе, обнаружима. Вспомните пассаж о гамма-всплесках в главе 13. Они происходят в далеких галактиках, на расстоянии миллиардов световых лет, и излучают фотоны высоких энергий. Считается, что это происходит в результате столкновения двух нейтронных звезд. Эти фотоны могут взаимодействовать с квантовой пеной и задерживаться на пути к Земле. Данный эффект можно наблюдать, если измерить время прибытия двух или более фотонов, которые были испущены одновременно в одном всплеске.

Используя данные о гамма-всплесках, полученные космическим гамма-телескопом Ферми, астроном Роберт Немирофф и его соавторы сравнили время прибытия гамма-фотонов разных энергий, излученных из одного источника. В случае гамма-всплеска GRB 090510, зарегистрированного в мае 2009 года на расстоянии 7 млрд. световых лет от нас, прибытие трех фотонов было зафиксировано в пределах 1 мс. Этот результат накладывает ограничения на размер пузырьков пространственно-временной пены — в 525 раз меньше планковской длины. Хотя результат требует независимого подтверждения, похоже, что пространство-время в наблюдаемой Вселенной гладко.

Может возникнуть вопрос, как это значение согласуется с утверждением, которое я высказал в главе 6, что никакое расстояние меньше планковской длины нельзя измерить. Ответ имеет отношение к разнице между теорией и экспериментом, которую я раз за разом подчеркиваю в этой книге. Реально было измерено вовсе не расстояние короче планковской длины. Тем не менее измеренное значение было включено в теоретическую модель, в результате предсказавшую ограничение на размер пузырьков, которые должны быть значительно меньше планковской длины. Но само это число существует только в рамках модели, а не в прямом наблюдении.

 

Бивселенная

Теперь давайте поставим вопрос, что могло существовать по отрицательную сторону нашей временной оси, то есть до t = О в нашем прошлом. Откуда же взялась эта первичная сфера абсолютного хаоса? Хотя у нас нет никакой эмпирической информации о том, что могло происходить до планковского времени, мы все еще можем применить наши наиболее глубокие теоретические знания, то есть общую теорию относительности и квантовую теорию, которые были основаны на эмпирических свидетельствах из более позднего времени.

В книге и статье 2006 года я описал сценарий, который обосновывает естественное происхождение нашей Вселенной и вытекает из общепризнанной физики и космологии. Он строится на модели, предложенной в 1982 году Дэвидом Аткацем и Хайнцем Пейджелсом. Я выработал этот сценарий чисто математически на уровне, доступном для студента-физика, в значительной степени полагаясь на очень приятное учебное пособие, опубликованное Аткацем в 1994 году, «Квантовая космология для пешеходов» {332} . Здесь я только кратко опишу порядок действий.

В 1982 году Аткац и Пейджелс показали, каким образом наша Вселенная могла появиться благодаря квантовому туннелированию. Этот механизм был предложен Виленкиным в 1982 году, а также Джеймсом Хартлом и Стивеном Хокингом в 1983 году.

Начнем с уравнений Фридмана для пустой, гомогенной, изотропной Вселенной с положительной кривизной, то есть с параметром кривизны k = +1. Хотя наша Вселенная очень близка к плоской, из этого не обязательно следует, что глобальный параметр кривизны k = 0; она может иметь k = +1 или k = -1 и все еще быть очень, очень плоской после инфляции. Аткац и Пейджелс показали, что туннелирование работает только при k = +1.

Имея в распоряжении это уравнение, мы следуем стандартным правилам, согласно которым нужно перейти от классического уравнения к квантово-механическому, заменив действительные числа математическими операторами. Результат выглядит неожиданно просто. Вы получаете квантово-механическое, не зависящее от времени уравнение Шрёдингера для нерелятивистской частицы с массой, равной половине планковскои массы, и нулевой полной энергией, которое имеет единственное измерение, представляющее собой космологический масштабный коэффициент Вселенной, который мы можем принять за радиус Вселенной. Следует отметить, что это просто математическое тождество и из него не следует, что такая частица существует.

Выведенное уравнение — это упрощенная форма уравнения Уилера — Девитта, решение которого гордо именуется волновой функцией Вселенной. При стандартном квантово-механическом подходе к интерпретации волновых функций квадрат амплитуды волновой функции Вселенной определяет вероятность нахождения конкретной Вселенной среди ансамбля похожих вселенных.

Итоговый сценарий проиллюстрирован схемой пространства-времени на рис. 15.2. Время t изображено вертикально, а два из трех измерений пространства, x и y, показаны в перспективе. В каждый момент времени расширяющаяся сферическая Вселенная спроецирована на окружность, перпендикулярную временной оси. Она развивается из сферы планковских размеров, расположенной в начальной точке, t=0.

Рис. 15.2. Схема пространства-времени, изображающая нашу Вселенную и зеркальную Вселенную, которые развиваются из одной планковской сферы в противоположных временных направлениях. Одно пространственное измерение скрыто, поэтому сферические вселенные и планковская сфера спроецированы на окружности. Авторская иллюстрация 

Также показана зеркальная Вселенная на противоположной стороне временной оси. Если мы посмотрим на уравнения Фридмана и другие космологические уравнения, то увидим: ничего в них не запрещает отрицательное время. Зеркальная Вселенная развивается из той же планковскои сферы в противоположном временном направлении. Заметьте, что это не противоречит картине временных линий, изображенной на рис. 15.1.

А вот следствие, которое редко отмечают: поскольку зеркальная Вселенная существует в нашем прошлом, ее стрела времени направлена противоположно нашей. Как мы узнали из главы 5, в физических уравнениях не используется направление времени. Привычная, обиходная стрела времени — это исключительно статистическое определение, в котором будущее время — это направление наиболее вероятных событий, в соответствии с ростом энтропии нашей Вселенной. Таким образом, поскольку зеркальная Вселенная расширяется в противоположную сторону от нашей, направление стрелы времени, которое было бы определено наблюдателем в этой вселенной, противоположно нашему.

Поскольку планковская сфера не содержит никакой информации или структуры, она функционально неотличима от ничего, и мы имеем две вселенные, туннелирующие из ничего. Я назову нашу Вселенную и ее зеркальную пару Бивселенной.

Я должен добавить, что мы не предполагаем, что зеркальная Вселенная идентична нашей, поскольку она ровно с такой же вероятностью будет подвержена случайности, как и наша.

Хотя я не могу доказать, что наша Вселенная появилась именно таким образом, никто еще не доказал обратного. То есть мы имеем правдоподобный сценарий естественного, нерукотворного происхождения Вселенной, основанный на общепризнанных физике и космологии. Это только один из нескольких предложенных сценариев, но он впечатляет меня своей явной простотой по сравнению с остальными, поскольку он не требует никаких новых допущений, используя только общепризнанные физику и космологию. По меньшей мере Бивселенная позволяет опровергнуть любое заявление о том, что наша Вселенная могла появиться только в результате сверхъестественного творческого акта.

Здесь читатель может спросить, откуда взялись общепризнанная физика и космология. Пожалуйста, запаситесь терпением. Скоро мы доберемся до этого вопроса.

 

Мультивселенная

Если возможны две вселенные, то почему не три, или четыре, или любое другое количество? В 1980-е ученые осознали возможность того, что наша Вселенная может быть лишь одной из неограниченного числа похожих, но не идентичных вселенных. Эта совокупность была названа Мультивселенной. Как мы узнали из главы 12, вскоре после того, как физики предложили идею инфляции, ученые поняли, что если наша Вселенная образовалась из пузырька, то таким же образом вполне могли появиться и многие другие вселенные.

С самого начала теисты яростно возражали против самого понятия множественных вселенных. Практически все мировые религии проповедуют Божественное сотворение единственной Вселенной, центральное место в которой отведено человечеству. Мультивселенная ставит эту веру под сомнение.

Седьмого июля 2005 года кардинал Кристоф Шенборн, архиепископ Вены, написал в «Нью-Йорк таймс»: «Космологическая гипотеза о Мультивселенной была придумана, чтобы обойти несомненные свидетельства целенаправленного творческого замысла, найденные современной наукой».

Естественно, церковь возражала и тогда, когда Коперник переместил Землю из центра Солнечной системы. А когда Джордано Бруно сказал, что наша планета — всего лишь одна из многих планет, вращающихся вокруг многих солнц, они сожгли его на костре. Теисты говорят о смирении, но им вовсе не нравится, когда наука требует от них смириться.

Уильям Лейн Крейг высказался аналогично Шенборну. В ходе дискуссии в университете Пердью Крейг сказал: «Поборники случайного возникновения мира были вынуждены заявить о множественности миров других вселенных, желательно бесконечно многочисленных и неупорядоченных, чтобы подходящие для жизни вселенные могли случайно появиться где-нибудь в этом множестве».

Эти заявления не только неверны, но и оскорбительны для серьезных ученых. Гипотеза о множественности миров, или Мультивселенная, была выработана академической наукой без какой бы то ни было мысли о теологии. Это суммарный итог наших лучших современных космологических моделей, основанных на исключительно точных наблюдениях астрономии и доступных нам знаниях о фундаментальной физике.

Вдобавок достаточно сказать, что ни одно из заявленных научных свидетельств целенаправленного творческого замысла во Вселенной не может быть беспристрастно оценено как несомненное.

Противники концепции множественных вселенных любят использовать тот аргумент, что она добавляет лишние сущности там, где достаточно единственной Вселенной. В 1986 году астроном Эдвард Гаррисон написал: «Сделайте ваш выбор: слепой случай, который требует множества вселенных, или замысел, для которого нужна только одна».

Чтобы упростить себе выбор, мы можем воспользоваться бритвой Оккама, которая отдает предпочтение самой простой из гипотез. На первый взгляд может показаться, что одна Вселенная экономнее, чем множественные вселенные. Однако бритва Оккама касается не количества объектов в теории, а количества гипотез. Атомная теория материи умножила количество объектов, с которыми приходится работать физикам, в триллионы триллионов раз. Тем не менее она оказалась проще и мощнее, чем макроскопическая термодинамика, которая использовалась до нее и может быть полностью выведена из атомной теории. Аналогично, поскольку современная эмпирическая наука указывает на существование множественных вселенных, нам, чтобы обосновать существование всего одной Вселенной, потребуется дополнительная гипотеза, которая не следует из данных. Таким образом, именно гипотеза о единственной Вселенной нарушает принцип бритвы Оккама.

В другом возражении многие неверующие ученые присоединились к теистам: они считают, что Мультивселенная ненаучна, поскольку у нас нет возможности наблюдать вселенную вне нашей. На самом деле это неправда. Мультивселенная — это вполне научная гипотеза, поскольку, судя по всему, она неизбежно вытекает из вечной инфляции. Эта модель ранней Вселенной основана на имеющихся эмпирических данных; мы обсудим ее в следующем разделе.

Наши теории часто содержат не поддающиеся наблюдению вещи, такие как кварки и черные дыры. И, как мы вскоре увидим, эмпирическое свидетельство существования других вселенных вовсе не находится за гранью возможного. Любое явление, которое вписывается в жизнеспособную гипотезу и в принципе обнаружимо, полноправно считается частью науки.

Сама идея о том, что может существовать много вселенных, имеет настолько ошеломляющие последствия, что за последние 30 лет или более ей была посвящена масса литературы в области науки, философии и теологии. Я не буду пытаться охватить все, что было написано по этому вопросу, а ограничусь лишь самыми свежими выводами, которые мы можем сделать из наиболее простых допущений.

 

Вечная инфляция

В 1983 году космолог Александр Виленкин с некоторым трепетом предложил гипотезу так называемой вечной инфляции {341} . Согласно теории вечной инфляции, если расширение начинается, оно никогда не заканчивается, и все это время создаются новые вселенные. В 1986 году Андрей Линде развил эту идею и показал, как может быть так, что Вселенная неограниченно воспроизводит себя и «может не иметь ни начала, ни конца».

Согласно Виленкину и Линде, вечная инфляция приводит к постоянному появлению вселенных внутри других вселенных с образованием фракталоподобной структуры. По сути, в то время, как пузырь вселенной экспоненциально расширяется до значительно большего размера, другие пузыри могут зарождаться в постоянно растущем пространстве де Ситтера, окружающем исходный пузырь. Этот процесс продолжается вечно вплоть до далекого будущего.

В модели, предложенной Энтони Агирре из Института перспективных исследований в Принстоне и Стивеном Граттоном из Принстонского университета, зародышевые пузырьки представляют собой бивселенные, подобные описанным выше, с противоположными друг другу стрелами времени.

Как насчет прошлого? Уильям Лейн Крейг продолжил попытки найти подтверждения творению в космологии, отрицая, что время бесконечно продолжается в прошлое так же, как и в будущее. Наконец признав, что наша Вселенная может быть не единственной, он говорит: «Даже если наша Вселенная — это всего лишь крохотная часть так называемой Мультивселенной, состоящей из множества вселенных, все равно из теоремы БГВ следует, что у самой Мультивселенной должно быть абсолютное начало».

Как мы уже узнали, из теоремы БГВ следует только то, что у инфляции было начало. Она ничего не говорит о начале Мультивселенной. Более того, в случае бивселенной две вселенные имеют общее начало и расширяются в противоположных временных направлениях. В картине вечной инфляции новые вселенные постоянно формируются в каждом из этих расширяющихся пространств с противоположными стрелами времени.

Я думаю, Крейг может заявить без каких-либо доводов и доказательств, что вся эта штука, которую мы можем назвать Большой штукой [26]Непереводимая игра слов: в оригинале Big Shebang — по аналогии с Big Bang — «Большой взрыв». — Примеч. пер.
, была сотворена Богом. Но давайте отложим обсуждение теологических выводов на закуску и сначала рассмотрим некоторые из оставшихся научных вопросов.

 

Разрешение проблемы энтропии

В своей книге «От вечности до наших дней» Шон Кэрролл рассматривает популярный вопрос: почему энтропия Вселенной вначале была такой низкой? Этот вопрос называется проблемой энтропии. Вообще, я бы упрощенно ответил, что она была низкой вначале, потому что именно так мы определяем начало — как момент, когда энтропия была минимальной. На самом же деле, как объясняет Кэрролл, вопрос заключается в том, почему это крайне маловероятное состояние в принципе возникло в какое бы то ни было время. Если Вселенная появилась благодаря случайным процессам, то она должна была начаться с гораздо большей энтропией. Это все равно что бросить миллиард игральных костей и получить все шестерки.

Разумеется, если Мультивселенная безгранична, то все возможные комбинации выпадут неограниченное число раз. Но этот ответ слишком прост и столь же неинформативен, как если бы мы сказали, что это сделал Бог.

После внимательного рассмотрения всех этих вариантов Кэрролл показывает, что вечная Мультивселенная предоставляет убедительное решение проблемы энтропии. Он задает ключевой вопрос: как должна выглядеть Вселенная, если она абсолютно естественна? Его ответ: «Естественная Вселенная — которая бы не полагалась на тонко настроенные контрольные условия низкой энтропии в любой точке в прошлом, настоящем или будущем — по сути, представляла бы собой пустое пространство».

Далее, как мы уже знаем, пустое пространство описывается решением уравнений Фридмана, которое предложил де Ситтер, и такое пространство может иметь положительную космологическую постоянную Λ, которая эквивалентна постоянной плотности энергии вакуума и приводит к экспоненциальной инфляции. Можно показать, что энтропия обратно пропорциональна порядку Λ. Поэтому если космологическая постоянная велика, то энтропия будет мала.

В главе 12 я описал, каким образом, согласно Линде, квантовые флуктуации в пространстве де Ситтера могут поднять потенциальную энергию инфлятонного поля, подобно тому как отец подталкивает свою дочь, сидящую на качелях. Это эквивалентно зарождению космологической постоянной. В данном случае мы можем представить себе область пространства, которая испытывает такую флуктуацию и превращается в расширяющийся пузырек. В большинстве случаев этот пузырек сожмется обратно в ничто.

Однако изредка эта флуктуация случайно может оказаться очень большой. Тогда из-за трения один пузырек останется в состоянии высокой энергии достаточно долго, что позволяет ему увеличиться на много порядков. Тогда он может выделиться из исходного фонового пространства и превратиться в отдельный пузырь Вселенной.

Поскольку у этого пузыря Вселенной будет большая космологическая постоянная, у него будет низкая энтропия. Это разрешает проблему энтропии: чтобы расширяющийся пузырь Вселенной мог возникнуть от квантовой флуктуации, у него должна быть низкая энтропия. Это не нарушает второй закон термодинамики, поскольку мы можем рассматривать пузырь Вселенной и фоновое пространство как единую систему, в которой общая энтропия все еще возрастает, а фон восполняет энтропию, потерянную при создании пузыря Вселенной (или больше).

Заметьте, что все это может происходить без всякой внутренней движущей силы, то есть посредством чисто случайной, хаотичной инфляции. Поскольку все симметрично, то не требуется никаких специально созданных законов физики, только метазаконы и внутренние законы. Модели, которые мы используем для описания происходящего, по логике вынуждены заключать в своих формулировках те принципы, которые вытекают из симметрии, — метазаконы. К ним относятся все законы сохранения, специальная и общая теории относительности, а также квантовая механика. Они вытекают из симметрии пустоты. В дальнейшем спонтанное нарушение симметрии порождает внутренние законы, которые необходимы для развития сложности.

 

Обнаружение других вселенных

Распространенный аргумент против других вселенных — мы не можем даже наблюдать их. Однако вполне вероятно, что можем. На заре существования нашей Вселенной другая вселенная могла оказаться достаточно близко для того, чтобы ее гравитация повлияла на изотропию реликтового излучения. Или пузыри могли столкнуться, оставив друг на друге вмятины. Обнаружение крупномасштабной анизотропии в реликтовом излучении может свидетельствовать о существовании вселенной вне нашей. Космический телескоп «Планк» подтвердил несколько необъясненных аномалий такого рода, которые были отмечены при более ранних наблюдениях на WMAP.

Поскольку наблюдение другой вселенной вне нашей стало бы величайшим научным открытием в истории, не ждите, что какие-либо космологи станут заявлять подобное, пока не исключат все остальные возможности до высочайшей степени уверенности и не дождутся неоднократной независимой проверки данных. В случае с «Планком» команда исследователей не сочла это свидетельство достаточно значимым, чтобы публиковать какое-либо заявление.

Проще говоря, гипотеза единственной Вселенной требует, чтобы Вселенная была сферически симметрична. Любое значимое отклонение от этого доказало бы, что вне Вселенной что-то есть. В какой-то момент наши теории, возможно, смогут предсказать количественное отклонение от сферической симметрии, ожидаемое в модели Мультивселенной. И в какой-то момент данные о реликтовом излучении, полученные в ходе экспериментов будущего, могут стать достаточно точными для того, чтобы проверить это предсказание. Это сделает гипотезу Мультивселенной фальсифицируемой. Уже одной этой перспективы должно быть достаточно, чтобы понятие множественных вселенных могло оставаться частью академического научного дискурса.

 

Множественные миры квантовой механики

Традиционно в современной космологии Мультивселенная рассматривалась вне связи с многомировой интерпретацией квантовой механики. Однако недавно некоторые авторы предложили связать их. Давайте посмотрим, какой может быть эта связь.

Для нас важно провести четкое различие между математической моделью, которая позволяет использовать квантовую теорию в вычислениях, и онтологической интерпретацией, которая объясняет, что эта теория может сказать нам о реальном мире. Первое — это физика. Второе — метафизика.

Квантовая модель, которая была в значительной степени разработана уже в 1930-е, чрезвычайно преуспела в описании поведения материи в экстремальных условиях — на близких расстояниях, при низких температурах и высоких плотностях. Но из-за того, что методология квантовой механики радикально отличается от методологии классической физики, которая до сих пор отлично работает в других областях, не прекращается вечная дискуссия о том, что все это значит.

В отличие от классических моделей, таких как ньютоновская механика или теория относительности Эйнштейна (которую в данном контексте можно считать классической), квантовая модель не может предсказать, где будет находиться частица через какое-то время, а может только определить вероятность того, что она окажется в определенной области пространства. Вероятность на единицу объема считается равной квадрату амплитуды математического объекта, называемого волновой функцией, или, в более общем смысле, вектором состояния (см. главу 6).

В 1920-е Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали то, что сейчас называется копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Хотя за многие годы теория претерпела бесчисленные изменения и принимала многие формы, долгое время копенгагенская интерпретация лучше всего подходила на роль общепринятого философского представления о смысле квантовой механики. Поскольку она имеет множество вариаций, часть из которых получили другие имена, я не буду пытаться представить исчерпывающий обзор, а лучше остановлюсь на нескольких основных идеях, общих для большинства интерпретаций, которые более или менее совпадают с копенгагенской.

В основе этих интерпретаций лежит фундаментальная предпосылка, что отдельные физические события не предопределяются законами физики, как в ньютоновской механике, а происходят спонтанно. Однако статистическое поведение групп похожих событий предопределено, и именно это описывает математическая модель.

Например, если атом в возбужденном состоянии переходит в более низкое энергетическое состояние и испускает фотон, это конкретное событие не предопределено, что на практике значит, что оно непредсказуемо. Однако интенсивность конкретной линии спектра, которая образуется от большого количества фотонов, участвующих в таком же переходе, может быть вычислена точно.

Аналогично ни одна существующая теория не может предсказать, что конкретное радиоактивное ядро распадется в определенный момент, но гипотеза о том, что такой распад может с равной вероятностью произойти в любой момент заданного временного интервала, дает «закон» экспоненциального радиоактивного распада, который соблюдается с исключительной точностью, По сути, и этот результат, и описанный ранее случай изомерного перехода обеспечивают строгие эмпирические свидетельства того, что эти процессы не предопределены. То есть эти события случайны не из-за нашего невежества. Они действительно случайны.

Для нашего разговора о множественных мирах принципиально, что копенгагенская интерпретация считает измерительные приборы классическими системами, поэтому акт измерения представляет собой переход от квантовой физики к классической, который не описывается теорией, но подразумевается при акте измерения. До того как измерено положение частицы, волновая функция дает вероятности для области пространства, о которой известно, что в ней находится частица. Если ничего не известно, частица может быть где угодно во Вселенной. После измерения становится известно, что частица находится в пределах детектора, и говорят, что волновая функция мгновенно схлопывается, давая новую вероятность. Это проиллюстрировано на рис. 15.3.

Эйнштейн возражал против самой идеи мгновенного схлопывания волновой функции, называя его «жутким дальнодействием». Схлопывание волновой функции должно происходить быстрее скорости света, по сути, с бесконечной скоростью.

Большинство распространенных интерпретаций квантовой механики обычно называют детерминистическими в том смысле, что статистические вероятности, которые даются волновой функцией или вектором состояния, предопределены в теории подобно тому, как движение частицы предопределено в ньютоновской механике. Однако в данном случае статистически определено коллективное поведение ансамбля идентичных систем, а не поведение отдельной системы. Я предпочитаю называть квантовую механику недетерминистической.

 Рис. 15.3. Иллюстрация коллапса волновой функции электрона. После прохождения через большое отверстие в экране волновая функция распределена по области пространства размером примерно с отверстие. После измерения она схлопывается до размера детектора. Следует отметить, что в данном примере электрон имел равную априорную вероятность обнаружения на А и на Б. Авторская иллюстрация 

Теперь давайте рассмотрим некоторые альтернативные точки зрения. В 1950-е Дэвид Бом предложил интерпретацию квантовой механики, основанную на значительно более ранней идее Луи де Бройля, в которой движение частиц предопределено. Это движение управляется скрытыми субквантовыми силами, которые де Бройль назвал «волнами-пилотами». Хотя модель, основанная на этой интерпретации, в принципе детерминистична, она не предсказывает движение отдельных частиц. Она дает все те же статистические предсказания, что и все остальные интерпретации.

В своей докторской диссертации 1957 года, защищенной в Принстонском университете, Хью Эверетт III представил блестящую новую математическую формулировку квантовой механики. В ней он исключил искусственное разграничение между сферами действия квантовой и классической физики, которое существовало в копенгагенской интерпретации, а также отделался от коллапса волновой функции. И то и другое было значительным улучшением. Формулы Эверетта включали детектор вместе с наблюдаемым объектом в полную квантовую систему и заключали в себе все возможные результаты эксперимента.

В то время как математика Эверетта была безукоризненна, другие авторы попытались придать модели философскую интерпретацию, в которой при каждом акте измерения Вселенная (на самом деле) разделяется на две отдельные несвязанные вселенные. Она получила известность как многомировая интерпретация квантовой механики.

Рассмотрим ситуацию, показанную на рис. 153. Электрон может быть с равной вероятностью обнаружен на А или на Б. Вместо коллапса волновой функции математические формулы Эверетта считают обе возможности реализованными. В онтологической многомировой интерпретации эти два события происходят в отдельных вселенных, или мирах. В одном мире электрон сталкивается с А. В другом мире он сталкивается с Б. Если вероятность столкновения с А равна 3/4, а с Б — 1/4, то мы имеем четыре мира, в трех из которых электрон сталкивается с А, а в одном — с Б. Таким образом объясняется статистическая природа квантовой механики.

Действительно, при каждом измерении можно представить себе, как Вселенная расщепляется на много вселенных, по одной на каждый возможный результат эксперимента. Тем не менее мы снова получаем онтологическую установку, которая предсказывает те же эмпирические и статистические результаты, что и все остальные интерпретации квантовой механики.

Еще будучи студентом магистратуры Принстонского университета в 1940-х, Ричард Фейнман предложил математическую формулировку квантовой механики, названную суммированием по путям. Она заметно отличалась от моделей, которые в то время считались стандартными. (Разве это не чудесно, что в физике студенты магистратуры могут решить задачи, с которыми не справляются их более опытные и куда более высокооплачиваемые преподаватели?) В модели Фейнмана волновая функция и вектор состояния вообще отсутствуют, хотя они и могут быть выведены из нее.

В традиционной классической процедуре путь частицы вычисляется с помощью какого-нибудь уравнения движения, или, что то же самое, принципа (например, принципа наименьшего действия). В квантовой картине мира, предложенной Фейнманом, предполагается, что частица проходит все возможные пути между источником и детектором. В этом случае вероятность определенного акта наблюдения составляется из всех возможных путей, которые могли привести к наблюдению. Хотя суммирование по путям оказалось очень практичным и приобрело популярность среди специалистов в области элементарных частиц, оно опять же давало те же эмпирические результаты.

Фейнман никогда не пытался дать своей модели онтологическую интерпретацию. В книге «Вневременная реальность» я показал, как это понятие можно овеществить при помощи обращения времени. Хотя Эверетт не ссылается на Фейнмана и их математические аппараты различаются, идеи Эверетта и Фейнмана тождественны, а именно: включить в формулу все, что может произойти. Но обратите внимание: если существуют эмпирически непротиворечивые модели, в которых происходит все, что может произойти, это еще не значит, что все действительно происходит в объективной реальности.

Существуют и другие интерпретации квантовой механики, в том числе варианты идеи Фейнмана, которые не настолько экстравагантны, как многомировая. Проблема разных интерпретаций в том, что некоторые из них, в частности многомировая, находятся на грани метафизики. Все они согласуются с данными (иначе от них быстро отказываются), но ни одна не дает уникальных прогнозов. Поэтому мы никак не можем использовать главный принцип научного метода, эмпирическую проверку интерпретаций, чтобы выбрать лучшую из них. Поскольку методология вычислений, которую мы называем квантовой теорией, по-прежнему согласуется со всеми наблюдениями, многие мои коллеги-экспериментаторы устали от всей этой дискуссии и спрашивают: «Так что в этом нового?»

Авторы недавних публикаций отметили возможное применение многомировой интерпретации в космологии. Вспомните раздел о Бивселенной ранее в этой главе. Я писал, что так называемая волновая функция Вселенной дает вероятность обнаружения Вселенной с определенными свойствами. Если применить многомировую интерпретацию квантовой механики, то волновая функция Вселенной представляет собой множество параллельных вселенных. Выдающийся специалист в теории струн Леонард Сасскинд и другие предположили, что этот ансамбль вселенных можно связать с множественными вселенными космологической Мультивселенной, которую Сасскинд называет мегавселенной {354} .

 

Вневременная реальность

Одна из загадок уравнения Уилера — Девитта, которое дает нам волновую функцию Вселенной, — это отсутствие в нем переменной времени. Как было упомянуто ранее в разделе о бивселенной, в простейшей форме уравнение Уилера — Девитта математически сводится к квантовомеханическому независимому от времени уравнению Шрёдингера для нерелятивистской частицы с массой, равной половине планковской массы, и нулевой полной энергией, которое имеет единственное измерение, представляющее собой космологический масштабный коэффициент. Процесс его решения аналогичен одному из самых известных приложений квантовой механики — вычислению стационарных состояний атома водорода через уравнение Шрёдингера. Так можно получить энергетические уровни стабильного атома. Схожим образом волновая функция Вселенной описывает стационарное состояние Вселенной с нулевой полной энергией.

Так где же к этой картине добавляется время? Как может существовать такая модель Вселенной, в которой нет даже этого простейшего человеческого понятия — течения времени?

В 1983 году физики Дон Пейдж и Уильям Вутерс написали, что замкнутая система, в частности Вселенная, должна быть в стационарном состоянии, и поэтому время не является обязательным элементом в описании мира. Они показали, что «наблюдаемая динамическая эволюция системы может быть полностью описана в терминах стационарных объектов наблюдения».

Во второй публикации 1984 года Вутерс объяснил это более подробно:

«Любое утверждение, в котором мы упоминаем зависимость системы от времени, можно без потери эмпирического смысла переформулировать в виде: “Если часы находятся в состоянии… тогда вероятность обнаружения системы в состоянии… составляет…”» {356} .

Позже появилась масса публикаций, и с физической, и с философской точки зрения описывающих время как «производное явление». Все они очень специализированные, но я, пожалуй, смогу упрощенно передать основную идею.

В книге 2000 года «Вневременная реальность» {358} я продемонстрировал, что квантовое состояние частицы в определенном месте пространства на самом деле является линейной суперпозицией двух состояний, противоположно направленных во времени. В итоге состояние частицы вневременно. Измерение частицы разрушает связь между двумя состояниями, и время «возникает», хотя я и не упоминал этого слова. Заметьте, этот процесс симметричен относительно времени, так что Бивселенная является естественным следствием из этого.

Также следует отметить, что, как я объяснял в главе 6, пространство и время тесно связаны. По сути, и то и другое определяется операционально на основе того, что мы видим на часах. Так что если время производно, то и пространство тоже. Вутерс заметил это и предположил, что рабочая квантовая теория гравитации может быть основана на идее вневременности (и внепространственности). Об этой возможности и раньше упоминали другие авторы, но плодов она пока не принесла.

Ничто из этого не следует понимать в мистическом смысле, будто бы сознание наблюдателя-человека создает время и пространство как некую внутреннюю реалию. Время и пространство — это названия, которые мы даем количественным значениям, которые регистрируются механизмом часов и не имеют смысла без часов. Для измерения не требуется человек или еще какое-то разумное существо.

И снова мы обнаруживаем, насколько тщетны попытки придать метафизический смысл числам в физических моделях. Если вы не можете прочитать все эти публикации о производном времени (и производной гравитации), не беспокойтесь об этом. Это просто очередной пример того, как авторы пытаются логически встроить операционально определенную величину, которую мы называем временем, во всеобъемлющую модель Мультивселенной, описанную вневременным уравнением Уилера — Девитта.

 

Реальны ли множественные миры? Что вообще реально?

Космолог Макс Тегмарк уверенно заявил, что множественные вселенные и в космологии, и в квантовой механике составляют часть некой абсолютной реальности, математической по сути. Он представил так называемую гипотезу математической Вселенной (ГМВ): «Наша внешняя физическая реальность является математической структурой».

Тегмарк определяет математическую структуру как «абстрактные сущности и связи между ними». Он утверждает, что ГМВ описывает внешнюю реальность, независимую от людей и не несущую «никакой нагрузки». Под этим он имеет в виду следующее: «Наши описания сущностей во внешней реальности и связей между ними совершенно абстрактны, а слова и прочие символы, которыми они обозначаются, — всего лишь ярлыки без какого-либо предопределенного смысла».

Неожиданно для себя я соглашаюсь с Тегмарком во всем, за исключением того, чтобы называть эту схему реальностью. На основании своего опыта наблюдателя и экспериментатора я считаю уравнения теоретиков вроде Тегмарка не более чем красивым и полезным описанием того, что мы можем наблюдать своими глазами и при помощи инструментов, примерно как фотографию заката на пляже в Вайкики. При всей своей красоте фотография остается грубым творением человека, которое в лучшем случае только изображает реальность. Я верю, что картина Тегмарка соответствует этой интерпретации: описание объектов теоретической физики в виде математических соотношений между наблюдениями. Он называет это реальностью. Я называю это математическими соотношениями между наблюдениями.

Едва ли я одинок в этом мнении. В популярной книге «Высший замысел», опубликованной в оригинале в 2010 году, Стивен Хокинг и Леонард Млодинов пишут: «Не существует концепции реальности, не зависящей от картины мира или от теории». Вместо этого они продвигают философскую доктрину, которую называют моделезависимым реализмом, — «идею о том, что любая физическая теория или картина мира представляет собой модель (как правило, математической природы) и набор правил, соединяющих элементы этой модели с наблюдениями». Они добавляют: «Не имеет смысла спрашивать, реальна или нет модель мира, важно одно: соответствует ли она наблюдениям».

Я не вполне понимаю, чем моделезависимый реализм отличается от инструментализма, который я пропагандирую в этой и предыдущей книгах. В обоих случаях нас интересуют только наблюдения, и хотя мы не отрицаем, что они вытекают из некой абсолютной реальности, но и не настаиваем, что модели, описывающие наблюдения, точно соответствуют этой реальности.

Уильям Лейн Крейг, видимо, считает, что моделезависимый реализм эквивалентен онтологическому плюрализму, который означает, что существует много различных и независимо истинных реальностей. Я понимаю, как можно прийти к этой онтологической доктрине, если слишком серьезно относиться к нашим удачным теориям, как поступают многие физики-теоретики и экспериментаторы, и считать их истинной реальностью. Но это неразумно. Во-первых, любые теории всегда со временем заменяются лучшими. Во-вторых, часто, как в случае квантовой механики, у нас есть множество интерпретаций. В обоих случаях различные теории и интерпретации часто логически противоречат друг другу, хотя все они соответствуют одним и тем же данным. Если верна одна из них, то верны и все остальные.

В любом случае, я не думаю, что Хокинг и Млодинов имели в виду именно это, как должно быть понятно из цитаты, приведенной ранее. И все же их выбор термина моделезависимый реализм скорее вводит в заблуждение, чем проясняет их позицию.

Вернемся к связи между множественными мирами и Мультивселенной. На данном этапе, пока из этой дискуссии не следует никаких эмпирических результатов, значение связи между этими двумя понятиями становится вопросом личных философских взглядов. «Реальны» ли множественные миры в квантовой механике Эверетта? «Реальна» ли квантовая волновая функция? Меня, как эмпирика, вовсе не смущает, что коллапсирующая волновая функция «жуткая». Призрак Каспер тоже жуткий, но тоже создан человеком. Все миры в модели Эверетта точно так же созданы человеком: они входят в модель, которая удачно описывает наблюдения, но не дает никаких оснований считать, что они существуют в какой бы то ни было абсолютной реальности. Аналогично математическую реальность Тегмарка и моделезависимый реализм Хокинга и Млодинова не стоит принимать за ту самую абсолютную реальность, которая стоит за нашими экспериментальными данными.

 

Мультивселенная мормонов

Как мы уже знаем, христианские теологи, начиная с папы Пия XII в 1950-х и заканчивая нашим современником Уильямом Лейном Крейгом, ухватились за Большой взрыв, чтобы подтвердить сотворение конечной Вселенной конечное время назад в соответствии с общепринятой иудейско-христианско-исламской традицией. Даже теперь, когда в картине мира появилась Мультивселенная, Крейг утверждает, что она тоже была сотворена из ничего. Однако, как мы увидели в этой главе, Мультивселенная теперь считается вечной.

Не сомневаюсь, что изящное искусство христианской апологетики всегда найдет возможность примирить христианскую теологию со всем, что бы ни предложила наука, как они сделали с учениями Платона и Аристотеля: выберите то, что вам нравится, и не обращайте внимания на все остальное. Другие религии могут поступать аналогично.

Тем не менее меня восхищает то, что, по словам мормонских богословов, Мультивселенная не только отлично вписывается в их собственную космологию, но и неотделима от нее, а также помогает разрешить некоторые трудности, которые возникают с теорией Большого взрыва и единственной Вселенной.

Согласно мормонскому богослову Хайраму Андрусу, «откровения Смита о природе и порядке космоса указывают, что в пространстве существует бессчетное количество миров, населенных живыми существами разной степени развития».

И Вселенная вечна. Андрус продолжает:

«Джозеф Смит не разделял господствовавшее в то время заблуждение, что материя была создана из ничего. Напротив, он провозгласил, что материя и разум вечны и что Бог находится во времени и пространстве и является великим Организатором материи и вещей, которые существуют сами по себе. Пророк просветил свою братию о “Вечном бытии материи' утверждая, что “элементы вечны”, что “земля, вода и прочее существовали в элементарном состоянии вечно” и что “ни одна часть или частица великой Вселенной не может быть уничтожена или разрушена”».

В любом случае, так же как космологии Торы, Ветхого Завета и Корана не имеют ни малейшего сходства с современной космологией, его не имеет и космология из мормонской «Книги Авраама», которая, как и «Книга Мормона», считается божественным откровением Джозефу Смиту. Она описывает звезду или планету под названием Колоб у трона Господня, который более поздние мормонские богословы истолковали как центр Вселенной. Не стоит и говорить, что нет никаких эмпирических свидетельств существования Колоба.

 

Мультивселенная в философии и литературе

Идея множественных вселенных и альтернативных миров стала любимой темой спекулятивной философии и научной фантастики на многие годы. В серии «Звездного пути» из 1960-х под названием «Зеркало, зеркало» капитан Кирк встречается с копией самого себя. В рассказе Филиппа Дика 1963 года «Человек в высоком замке» Америка становится марионеточным государством нацистов. В рассказе Филиппа Рота 2004 года «Заговор против Америки» сторонник нацистов Чарльз Линдберг побеждает Франклина Рузвельта на выборах президента в 1940 году. Роберт Коули составил сборник рассказов видных историков под названием «А что, если бы?», в котором они представляют, какой была бы история, если бы определенные важные события произошли иначе.

Как мы знаем из главы 1, множественные миры входили в космологию античных атомистов. В своем труде «Учение академиков» римский философ Цицерон (106–43 годы до н.э.) написал:

«Или ты полагаешь, что… существуют… бесчисленные другие миры… И как сейчас мы, находясь в Бавлах, видим Путеолы, так существует бесчисленное множество “нас” в тех же самых местах, с теми же именами и званиями, с теми же поступками, с теми же характерами, так же выглядящих, в том же возрасте, ведущих спор о том же самом?» {373}

Из главы 3 мы узнали, что великий философ Лейбниц допускал существование множества других миров. Он оправдывал существование милосердного божества в мире, полном зла и страдания, предполагая, что это все равно «лучший из возможных миров». Он изобразил бесконечную пирамиду с местом для каждого возможного мира, расположив наш мир, единственный истинный, на вершине.

Наконец, множественные миры, которые упоминались в предыдущих разделах и о которых говорили всевозможные исторические личности, не стоит слишком буквально расценивать как предвосхищение концепции множественных вселенных научной Мультивселенной. Эти люди скорее представляли себе другие миры типа Земли, чем другие вселенные.

В последней главе мы рассмотрим теологические следствия существования множества планет и вселенных.