Читать онлайн “Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной” «Леонард Сасскинд»
- 01.02
- 0
- 0
Страница 1
Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла ВселеннойЛеонард Сасскинд
New Science
Леонард Сасскинд, известный американский физик и один из создателей теории струн, в свое время предложил революционную концепцию понимания Вселенной и места человека в ней. Своими исследованиями Сасскинд вдохновил целую плеяду современных физиков, которые поверили, что эта теория сможет однозначно предсказать свойства нашей Вселенной. Теперь же в своей первой книге для широкого круга читателей Сасскинд уточняет и переосмысляет свои взгляды, утверждая, что данная идея отнюдь не универсальна и ей придется уступить место гораздо более широкому понятию гигантского «космического ландшафта».
Исследования начала XXI века позволили науке подняться на новую ступень в познании мира, утверждает Сасскинд. И эта увлекательная книга, переносящая читателя на передовую сражений в современной физике, – яркое тому подтверждение.
Леонард Сасскинд
Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной
Художники Л. Егорова, В. Шимкевич
© Little, Brown and Company
© Перевод на русский язык, издание на русском языке. ООО Издательство «Питер», 2015
Предисловие
Мне всегда доставляло удовольствие объяснять физические проблемы. На самом деле это больше, чем просто удовольствие, для меня это потребность – объяснять физические проблемы. Я очень много времени трачу на, казалось бы, странное занятие, на маниловщину – на объяснение некоей воображаемой восхищённой аудитории сложных научных идей. Возможно, я выгляжу при этом глупо, но для меня это стало привычкой, и даже больше, чем просто привычкой: это стало неотъемлемой частью моей умственной деятельности, неким ментальным инструментом организации моих идей и даже – средством создания новых способов размышления над проблемами. Поэтому вполне естественно, что в определённый момент я решил попробовать написать популярную книгу. Более того, пару лет назад я уже начал писать книгу – про двадцатилетнюю дискуссию между мной и Стивеном Хокингом о судьбе информации, упавшей в чёрную дыру…
Но почти в то же самое время я обнаружил, что нахожусь в центре гигантского научного тайфуна. Бушующие в нём споры касались не только происхождения Вселенной, но и законов, управляющих ею. Свою статью «Антропный ландшафт теории струн» (The Anthropic Landscape of String Theory) я посвятил новой формирующейся концепции, которую назвал «Ландшафт». Статья наделала много шума в сообществе физиков и космологов, которое в настоящее время включает не только учёных, но и философов и даже богословов. Концепция ландшафта – это идея, ломающая установленные рамки и не только затрагивающая смену парадигмы в физике и космологии, но и ставящая глубокие культурные вопросы ландшафта нашей социальной и политической жизни, такие как: «Может ли наука объяснить тот экстраординарный факт, что Вселенная, кажущаяся настолько странно и неэффективно устроенной, в то же время настолько хорошо приспособлена для нашего существования в ней?» Поэтому я решил переставить кастрюлю с чёрной дырой на дальнюю конфорку и заняться популярной книгой об этой удивительной истории. Так родился «Космический ландшафт».
Читатели этой книги, возможно, обратили внимание, что последние несколько лет научные колонки СМИ пестрят сообщениями о том, что космологи озадачены двумя удивительными «тёмными» открытиями. Первое открытие заключается в том, что 90 % вещества во Вселенной состоит из некоей таинственной скрытой субстанции, называемой тёмной материей. Второе открытие утверждает, что 70 % энергии во Вселенной – это некая призрачная и таинственная вещь, называемая тёмной энергией. Эпитеты «тайна», «таинственный» и «удивительный» повторяются в этих статьях с завидной регулярностью.
Должен признаться, что не считаю достойным исследования всё, что выглядит таинственно. Для меня слово «тайна» относится к тем вещам, которые не поддаются рациональному объяснению. Открытие тёмной материи и тёмной энергии стало сюрпризом, но никак не откровением. Физики, занимающиеся элементарными частицами (и я один из них), всегда понимали, что их теории неполны и что многие частицы до сих пор остаются неоткрытыми. Традиция постулировать существование новых труднообнаружимых частиц началась с Вольфганга Паули, который правильно угадал, что одна из форм радиоактивности связана с почти неуловимой частицей, называемой нейтрино. Тёмная материя, правда, не состоит из нейтрино, но в последнее время физики напостулировали множество частиц, достойных претендовать на роль тёмной материи. В этом нет никакой тайны – только трудности выявления и обнаружения подобных частиц.
Тёмная энергия имеет больше оснований претендовать на загадочность, но основной вопрос заключается не в том, что делать с её присутствием, а в том, как объяснить её отсутствие. Физики уже больше 75 лет уверены, что существуют все основания считать пространство наполненным тёмной энергией. Таинственность здесь заключается не в самом существов
Страница 2
нии тёмной энергии, а в том, почему её так мало. Ясно лишь одно: будь тёмной энергии хотя бы немножко больше, это самым фатальным образом сказалось бы на нашем собственном существовании.Настоящая же загадка, поднятая современной космологией, касается замалчивания присутствия «слона в комнате». Я могу добавить, что этот «слон» является полным конфузом для физиков: с какой стати вдруг Вселенная представляется нам будто бы нарочно спроектированной так, чтобы в ней могли существовать формы жизни типа нас с вами?
Этот вопрос озадачил учёных и в то же время воодушевил сторонников ложного комфорта креационистского мифа. Ситуация во многом напоминала положение в додарвиновской биологии, когда мыслители не могли понять, как без направляющей естественные физические и химические процессы божественной руки возможно возникновение чего-либо столь сложного, как человеческий глаз. Как и глаз, отдельные физические параметры Вселенной так удивительно тонко настроены и согласованы, что этот факт требует объяснений.
Позвольте мне выйти перед строем и прямо заявить о моих собственных предубеждениях. Я категорически настаиваю, что настоящая наука требует объяснений, не апеллирующих к сверхъестественным сущностям. Я считаю, что развитие глаза определяется дарвиновскими механизмами. Кроме того, я уверен, что физики и космологи также должны найти естественное объяснение свойств нашего мира, в том числе удивительно счастливого несчастного случая, благодаря которому стало возможным наше собственное существование. Я уверен, что когда люди подставляют магию в рациональные объяснения, они не делают науки, независимо от того, насколько громко они заявляют обратное.
В прошлом большинство физиков (включая меня) предпочитали игнорировать «слона» – даже ради того, чтобы отрицать его существование. Удобнее было считать, что законы природы следуют из нескольких элегантных математических принципов и что наблюдаемое устройство Вселенной является следствием счастливого стечения обстоятельств. Но последние открытия в области астрономии, космологии, и прежде всего теории струн – не оставили физикам-теоретикам иного выбора, кроме как серьёзно задуматься о таких вещах. Удивительно, но мы наконец-то начинаем понимать причины этого калейдоскопа совпадений. Факты, собранные для объяснения «иллюзии разумного замысла», свидетельствуют о зависимости устройства Вселенной только от физических и математических принципов и закона больших чисел. Вот, собственно, о чём мой «Космический ландшафт»: это научное объяснение наблюдаемых физических и космологических чудес и анализ философских последствий такого объяснения.
Кто же является целевой аудиторией этой книги? Ответ: все, у кого есть живой интерес к науке и желание проникнуть в тайну возникновения и устройства этого мира. Но хотя книга и адресована неспециалистам, она не для тех, кто ищет в науке «царских путей» и не привык напрягать свои мозги. Я постарался освободить книгу от уравнений и научного жаргона, но не от сложных концепций. Я избегал математических формул, но, с другой стороны, стремился дать точные и ясные объяснения принципов и механизмов, лежащих в основе новой формирующейся парадигмы. Понимание этой новой парадигмы будет иметь решающее значение для каждого, кто следит за дальнейшим поиском ответов на «большие вопросы».
Я благодарен многим людям, которые не всегда догадывались, что помогали мне писать эту книгу. Большинство из них – физики и космологи, чьи идеи я позаимствовал: Стивен Вайнберг, Герард ‘т Хоофт, Мартин Рис, Джозеф Полчински, Рафаэль Буссо, Алан Гут, Александр Виленкин, Шамит Качру, Рената Каллош, но прежде всего Андрей Линде, который щедро делился со мной своими идеями на протяжении многих лет.
Эта книга никогда не была бы написана без поддержки моего агента Джона Брокмана и моего друга Малкольма Гриффита, читавшего и критиковавшего первые беспорядочные черновики. Он научил меня «жонглировать более чем тремя мячами» (этой идиомой Малкольм характеризовал те сложности, которые возникают при написании последовательной книги). Я в долгу перед моим редактором, а теперь и другом Лиз Нейгл из Little Brown и признателен за её выдающийся вклад в написание книги. Её заботливое руководство было бесценным.
И наконец, сверх всякой меры я благодарен моей жене Анне за её любовь, постоянную поддержку и помощь.
Введение
Воздух очень холодный, и ничто, кроме моего собственного дыхания, не нарушает абсолютной тишины. Сухой рассыпчатый снег хрустит под подошвами ботинок. Его идеальная белизна под светом звёзд придаёт окружающей местности зловещий блеск, в то время как звезды растворяются в непрерывном свечении, пересекающем чёрный свод небес. Ночь на этой пустынной планете ярче, чем в моём родном мире. Это холодная и безжизненная красота идеального места для метафизического созерцания – если бы такое место когда-либо существовало.
Я оставил домашний уют базы, чтобы в одиночестве подумать о событиях дня, высматривая в небе падающие звёзды. Но было невозможно д
Страница 3
мать о чём-либо другом, кроме чудовищной и безликой природы Вселенной. Фейерверк галактик, бесконечно расширяющаяся Вселенная, леденящая холодность пространства, тепло рождающихся звёзд и их предсмертная агония на стадии красных гигантов: безусловно, это должно иметь экзистенциальный смысл. Кажется, что отдельный человек и жизнь в целом не имеют отношения к работе Вселенной: маленькое пятнышко воды, капля аминокислот и щепотка углерода на булавочной головке планеты, вращающейся вокруг звезды без какой-либо цели.Чуть раньше, во время коротких часов скупого солнечного света, Курт, Кип и я прогулялись к российскому комплексу посмотреть, сможем ли мы найти кого-нибудь из «иванов», чтобы поговорить. Стивен хотел пойти с нами, но его инвалидная коляска не приспособлена для передвижения по сугробам. Покинутый комплекс – несколько низких ржавых построек из гофрированного металла – выглядел опустевшим. Мы постучали, но никаких признаков жизни не проявилось. Я с треском распахнул дверь и заглянул в пугающую темноту помещения, а затем, набравшись храбрости, шагнул вперёд и осмотрелся. Внутри полностью заброшенного комплекса было так же холодно, как и снаружи. Сотня или около того жилых комнат открыты и пусты. Как могла вот так запросто исчезнуть в никуда сотня мужчин? В молчании мы побрели обратно к нашей базе.
В баре, выпивающего и смеющегося, мы нашли нашего русского – Виктора. Он, кажется, был одним из трёх последних русских, оставшихся на планете. Поставки из России прекратились более года назад. Они бы умерли от голода, но, к счастью, наши люди приютили их. Мы никогда не видели двух других россиян, но Виктор заверил нас, что они живы.
Виктор настоял на покупке мне выпивки «для согрева» и спросил: «Как вам нравится это %#&*^ место?» Я ответил, что во время моих путешествий только однажды видел ночное небо столь же прекрасное, как здесь. По иронии судьбы другая посещённая мной чужая планета была настолько горячей, что скалы, казалось, способны были поджарить всё, что коснётся их поверхности.
Конечно же, в реальности мы не были на другой планете. Это только казалось, что мы не на Земле. Но Антарктика действительно чужая. Стивен Хокинг, Курт Каллан, Кип Торн, Стэн Десер, Клаудио Тейтельбойм, наши жены и ещё несколько физиков были там в развлекательной поездке – она прилагалась в качестве бонуса за путешествие в Чили для участия в конференции по чёрным дырам. Клаудио, известный чилийский физик, организовал для нас перелёт на пару дней на антарктическую базу на одном из гигантских грузовых самолётов чилийских ВВС «Геркулес».
Был август 1997 года, в Южном полушарии стояла зима, и мы ожидали худшего. Самый лютый мороз, который я когда-либо переживал, – это 20 градусов[1 - Сасскинд приводит температуру по шкале Фаренгейта: –20 °F = –29 °C. – Примеч. пер.] ниже нуля, и температура минус 60 градусов,[2 - – 60 °F = –51 °C. – Примеч. пер.] которая вполне могла ожидаться на базе в середине зимы, настораживала меня. Когда самолёт приземлился, мы с тревогой застёгивали на себе тяжёлое арктическое снаряжение, предоставленное военными и рассчитанное на страшный мороз.
Затем багажный отсек открылся, и жена Курта Шанталь, выглянув из самолёта, взмахнула руками и радостно прокричала нам: «Здесь не холоднее, чем в зимний день в Нью-Джерси![3 - Курт Каллан – профессор из Принстона.]». Так оно и было. И температура оставалась такой весь день, пока мы резвились на снегу.
Но где-то в середине ночи морозное чудовище проснулось. Наутро Антарктида дала полную волю своей ярости. Я всего на пару минут выглянул на улицу, чтобы в полной мере ощутить то, что пережили Шеклтон и его люди после кораблекрушения. Как все они не погибли? Ни один член экспедиции не был потерян. Более года на леденящем морозе и пронизывающем ветру – почему все они не умерли от пневмонии? Теперь, в центре этой ревущей бури, я знал ответ: ничто не выживает здесь – даже микробы, вызывающие воспаление лёгких.
Другой чужой планетой, которую я упомянул в разговоре с Виктором, была Долина смерти – ещё одно место, лишённое жизни. Нет, не совсем лишённое. И я ещё тогда подумал, сколь горячим должен быть воздух, чтобы уж наверняка изжарить всю протоплазму. Общим для Антарктиды и Долины смерти фактором является крайняя сухость воздуха. Здесь слишком холодно, чтобы воздух мог содержать водяной пар. Низкая влажность, а также полное отсутствие светового загрязнения делают возможным увидеть свет звёзд таким, каким его редко видит современный человек. Стоя под антарктическим звёздным небом, я вдруг понял, как нам повезло, что мы – люди. Жизнь хрупка: она процветает только в узком диапазоне температур от точки замерзания до точки кипения. Нам повезло, что наша планета находится на таком «правильном» расстоянии от Солнца: немного дальше – и повсюду будет холод вечной антарктической зимы, а то и ещё хуже, чуть ближе – и поверхность будет и в самом деле поджаривать всё, что её коснётся. Виктор, будучи русским, подошёл к вопросу с духовной стороны: «Почему бы не допу
Страница 4
тить, – спросил он, – что наше существование есть проявление бесконечной любви и доброты Бога?» Моё собственное «бессмысленное» объяснение станет вам понятным в своё время.На самом деле у нас гораздо больше поводов поблагодарить случай, и не только за комфортную температуру. Без нужного количества углерода, кислорода, азота и других элементов от нашего климата не было бы никакого проку. Если Солнце в центре Солнечной системы заменить на более общий случай двойной звезды,[4 - Двойная звезда представляет собой гравитационно-связанную систему из двух звёзд, обращающихся вокруг общего центра масс.] орбиты планет окажутся слишком хаотичными и нестабильными для существования жизни. Это всего лишь один из примеров опасностей подобного рода. Но на вершине всего – сами законы природы. Стоит внести небольшие изменения в законы Ньютона или в правила атомной физики и – пшик – жизнь либо мгновенно прекратится, либо никогда не возникнет. Кажется, что наш ангел-хранитель не только предоставил нам для жизни очень доброкачественную планету, но и придумал правила существования – законы физики и космологии – прямо-таки для нас. Это одна из величайших загадок природы. Это удача? Это чей-то разумный и благожелательный замысел? И в чьей юрисдикции находится этот вопрос: науки, метафизики или религии?
Эта книга – о споре, в котором столкнулись страсти физиков и космологов, являющемся в свою очередь частью более обширной дискуссии, особенно в Соединённых Штатах, где эти споры приняли характер партизанской войны на политическом театре. По одну сторону баррикад расположились те, кто убеждён, что мир создан или разработан неким разумным агентом в благотворительных целях. По другую сторону ощетинился лезвиями Оккама трезвый научный подход, утверждающий, что Вселенная является результатом действия безликих и бескорыстных законов физики, математики и теории вероятностей – мир, так сказать, без цели. Я не отношу к первой группе библейских буквалистов, считающих, что мир создан шесть тысяч лет назад, и готовых стоять насмерть за эту идею. Я говорю о вдумчивых интеллектуалах, которые смотрят на мир и не могут поверить, будто в том, что мир настолько хорошо приспособлен для людей, повинна лишь слепая удача. Я не обвиняю этих людей в глупости. Они имеют все основания так считать.
Защитники разумного замысла обычно приводят в качестве аргумента невозможность возникновения столь сложного органа, как зрительная система человека, в результате чисто случайных процессов. Это же невероятно! Но биологи, вооружённые очень мощным инструментом – принципом естественного отбора, чья объясняющая мощь велика, считают, что их доказательства решительно перетягивают чашу весов в пользу Дарвина. Чудо глаза – это всего лишь видимость чуда.
На мой взгляд, энтузиасты замысла обретают более твёрдую почву под ногами, когда речь заходит о физике и космологии. Биология является лишь частью истории творения. Законы физики и происхождение Вселенной – другая часть, и здесь опять появляются в изобилии невероятные чудеса. Кажется невероятным, чтобы набор каких-либо правил случайно привёл к чуду разумной жизни. Тем не менее именно в этом уверены большинство физиков: разумная жизнь является счастливым следствием физических принципов, не имеющих ничего общего с нашим собственным существованием. Здесь я разделяю скептицизм толпы сторонников разумного замысла: я считаю, что удача требует объяснения. Но объяснение, которое вытекает из современной физики, отличается от разумного замысла так же, как «Бульдог Дарвина» от «Мыльного Сэма» Уилберфорса.[5 - Сэмюэль Уилберфорс – англиканский епископ, прозванный Мыльным Сэмом за скользкость в церковных дебатах. Томас Хаксли – английский зоолог, популяризатор науки и защитник эволюционной теории Чарльза Дарвина, прозванный за свои яркие полемические выступления «Бульдогом Дарвина». Мыльный Сэм саркастически спросил Хаксли, кто из его предков, бабушка или дедушка, был мартышкой? Хаксли ответил: «Я бы скорее согласился быть потомком обезьяны, чем продажного болтуна».]
Дебаты, которым посвящена моя книга, это не ожесточённое политическое противостояние между наукой и креационизмом. В отличие от спора между «Бульдогом Дарвина» Томасом Хаксли и епископом Уилберфорсом, рассматриваемая дискуссия идёт не между религией и наукой, а между двумя враждующими группировками учёных – теми, кто считает, что законы природы определяются математическими соотношениями, которые просто случайно сложились так, чтобы позволить возникнуть жизни, и теми, кто считает, что законы физики в некотором роде изначально соответствуют требованиям возникновения разумной жизни. Центром кристаллизации ожесточённых споров стал антропный принцип – гипотетический принцип, который говорит, что мир-де так прекрасно устроен, чтобы мы здесь могли его наблюдать! Со своей стороны хочу заметить, что в такой формулировке не больше смысла, чем в утверждении, что причина возникновения глаза в том, чтобы кто-то смог прочитать эту книгу. На самом деле это лишь усечённый вар
Страница 5
ант гораздо более богатого набора концепций, о которых я расскажу в следующих главах.Но полемика среди учёных стала поводом к более широкой общественной дискуссии. Неудивительно, что она вышла за пределы семинарских аудиторий и научных журналов и переросла в политические дебаты о разумном замысле и креационизме. И христианские интернет-сайты ринулись в бой.
Библия говорит:
«Ибо невидимое Его, вечная сила Его и Божество, от создания мира через рассматривание творений видимы, так что они безответны»[6 - К римлянам, 1:20. Синодальный перевод. – Примеч. пер.]. – Его вечная власть и Божественная природа. Поэтому нет им прощения за незнание Бога.
Это неоспоримая истина. В некотором смысле, с открытием антропного принципа это стало ещё более верно, чем когда-либо прежде. Поэтому главное доказательство, которым мы обладаем, – это само сотворение Вселенной, несущее на себе подпись Бога: Вселенная сотворена так, чтобы мы могли в ней жить.
Или с другого религиозного сайта:[7 - Я не в курсе религиозных убеждений Дэвиса или Гринстайна, но я бы с осторожностью относился к слишком буквальному толкованию их заявлений. Физики часто используют такие термины, как «замысел», «агент» и даже «Бог» в качестве метафоры для обозначения непознанного. Я использовал термин «агент» в популярной статье и до сих пор сожалею об этом. Эйнштейн часто говорил: «Господь утончён, но не злонамерен», «Бог не играет в кости», «Я хочу знать, как Бог создал мир». Большинство комментаторов считают, что Эйнштейн использовал термин «Бог» в качестве метафоры для упорядоченного набора законов природы.]
В своей книге «Космический эскизный проект» (The Cosmic Blueprint) профессор астрономии Пол Дэвис подытоживает решающее доказательство замысла:
«Профессор сэр Фред Хойл, отнюдь не симпатизирующий христианству, говорит, что всё выглядит так, будто суперинтеллект забавляется с физикой, а также с химией и биологией».
А астроном Джордж Гринстайн замечает:
«После анализа всех свидетельств возникает навязчивая мысль о том, во Вселенной должны действовать некие сверхъестественные агенты или, скорее, Агенты. Возможно ли, что вдруг, сами того не желая, мы наткнулись на научные доказательства существования некоего высшего существа? Был ли это Бог, который пришёл и так чудесно создал космос для нашего блага?»
Стоит ли удивляться, что антропный принцип доставляет физикам столько неудобств?
Дэвис и Гринстайн – серьёзные исследователи, а Хойл – один из величайших учёных XX века. Как они отмечают, видимость разумного замысла не вызывает сомнений.[8 - Будет ли это предложение вырвано из контекста на одном из религиозных сайтов? Надеюсь, что нет.] Для возможности существования жизни необходимо сочетание невероятных факторов. Нам потребуется несколько глав, чтобы полностью разобраться с этим «слоном в комнате», но давайте начнём с азов.
Мир, каким мы его знаем, весьма нестабилен, и в этом смысле он представляет особый интерес для физиков. Существует множество вариантов, при которых всё может пойти плохо, настолько плохо, что существование жизни в том виде, в каком она нам известна, станет совершенно невозможным. Условия, которым должен удовлетворять мир, похожий на наш и допускающий существование жизни, можно разделить на три набора требований. Первый набор включает сырьё, необходимое для существования жизни: химические вещества, поскольку жизнь – это химический процесс. Что-то в природе атомов заставляет их соединяться в самых причудливых комбинациях, образуя гигантские молекулы жизни – ДНК, РНК, сотни белков и всё остальное. На самом деле химия – это раздел физики, а конкретно – физики валентных электронов, которые обращаются вокруг ядра на самых удалённых орбитах. Валентные электроны перескакивают от одного атому к другому либо обобществляются атомами, что и позволяет атомам проявлять свои удивительные способности.
Законы физики начинаются со списка элементарных частиц, таких как электроны, кварки и фотоны, и каждая обладает собственными уникальными свойствами, например массой и электрическим зарядом. Из этих объектов построено всё остальное. Никто не знает, почему этот список именно такой и почему элементарные частицы обладают именно такими свойствами. Можно составить бесчисленное множество других подобных списков, но Вселенная, допускающая существование жизни, не терпит произвола в этом вопросе. Удаление из списка любой из этих элементарных частиц – электрона, фотона или кварка – или даже незначительное изменение любого из их свойств приведёт к полному коллапсу обычной химии. В отношении электронов и кварков всё очевидно: из кварков состоят протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, которые, в свою очередь, вместе с электронами образуют атомы. Без них атомы не могли бы существовать. Не столь очевидна важность существования фотонов. В следующих главах мы познакомимся с природой электромагнитных и гравитационных взаимодействий, пока же вам достаточно знать, что фотоны с их уникальными свойствами ответственны за существование эле
Страница 6
тромагнитных сил, удерживающих электроны в атомах и атомы в химических соединениях.Если законы природы кажутся идеально подходящими для существования химии, то так же хорошо они приспособлены и для удовлетворения второму набору требований, а именно требованиям к характеру эволюции Вселенной, допускающему наше комфортное существование. Крупномасштабные свойства Вселенной – её размеры, скорость расширения, существование галактик, звёзд и планет – в основном регулируются силой гравитации. Теория гравитации Эйнштейна – Общая теория относительности – описывает расширение Вселенной из первоначального сверхгорячего и сверхплотного сгустка, образовавшегося после Большого взрыва, до её нынешних огромных размеров. Казалось бы, свойства гравитации, особенно величину гравитационных сил, можно легко изменить. Слабость гравитационного взаимодействия остаётся по-настоящему необъяснимым чудом.[9 - Для экспертов: слабость гравитационных сил эквивалентна легкости обычных элементарных частиц. Проблема малости масс частиц называется проблемой калибровочной иерархии. Несмотря на наличие интересных идеи, консенсуса в её решении пока нет.] Гравитационное притяжение между электроном и атомным ядром в десять тысяч миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз слабее электрического. Но будь гравитационное взаимодействие хотя бы немного сильнее, Вселенная проэволюционировала бы так быстро, что на возникновение разумной жизни в ней не осталось бы времени.
Гравитация играет ведущую роль в развёртывании Вселенной. Она является причиной конденсации вещества – водорода, гелия и так называемой тёмной материи – в сгустки галактик, звёзд и, наконец, планет. Но чтобы это произошло, очень ранняя Вселенная должна быть слегка «комковатой». Если бы исходный материал Вселенной был распределён равномерно, он и оставался бы таким в течение всего времени. Выходит, что 14 миллиардов лет назад Вселенная уже состояла из множества комков. Будь комки немного больше или немного меньше, и не сформировались бы ни галактики, ни звёзды, ни планеты и жизни было бы негде развиваться.
Наконец, Вселенная имеет определённый химический состав. В начале были только водород и гелий. Разумеется, для формирования жизни этого недостаточно. Углерод, кислород и остальные элементы возникли позже. Они сформировались в ходе ядерных реакций внутри звёзд. Но способность звёзд превращать водород и гелий в наиболее важный для жизни углерод является очень деликатным делом. Небольшие изменения в законах электромагнетизма и ядерной физики способны предотвратить образование ядер углерода.
Кроме того, после образования углерода, кислорода и других биологически важных элементов внутри звёзд они должны были освободиться оттуда, чтобы предоставить материал для формирования планет и возникновения жизни, – мы ведь не можем жить в горячих недрах звёзд. Каким же образом этим элементам удалось покинуть звёздные недра? Ответ: в результате взрывов сверхновых.
Взрыв сверхновой сам по себе замечательный феномен. В дополнение к нейтронам, электронам, фотонам и гравитации для обеспечения взрыва сверхновой необходим ещё один тип элементарных частиц – нейтрино. Вылетая из коллапсирующей звезды, нейтрино создают давление, выталкивающее наружу все остальные частицы. К счастью, в нашем списке элементарных частиц присутствуют и нейтрино, притом с нужными свойствами.
Как я уже сказал, мир, полный биологических явлений, отнюдь не соответствует общим ожиданиям. Среди множества возможных вариантов списков элементарных частиц и различных взаимодействий это очень редкое исключение. Но достаточно ли исключительно это исключение, чтобы оправдать введение новой радикальной парадигмы, включающей антропный принцип? Если бы наши суждения основывались только на тех вещах, о которых я уже рассказал, нам не удалось бы привести к консенсусу даже тех, кто открыт для антропных идей. Большинство тонких настроек, необходимых для существования жизни, всё же допускают некоторый разброс, не позволяющий отвергать вероятность случайного везения. Возможно – а в это всегда верили физики, – в конце концов будет обнаружен математический принцип, который объяснит существование именно такого списка частиц и констант, и множество счастливых совпадений окажется не более чем множеством счастливых совпадений. Но существует одна тонкая настройка (я расскажу о ней в главе 2), которая в высшей степени невероятна. Она являлась вселенской головоломкой для физиков в течение пятидесяти лет. Единственное её объяснение, если только его можно назвать объяснением, – это антропный принцип.
Сформулирую ещё один парадокс: «Можем ли мы надеяться когда-нибудь объяснить чрезвычайно доброжелательный характер физических законов нашего собственного мира без апелляции к сверхъестественному разуму, когда антропный принцип с его помещением разумной жизни на центральное место в объяснении свойств нашей Вселенной выглядит как предположение, будто кто-то, некий агент, наблюдает за человечеством?» Эта книга о формировании новой физической па
Страница 7
адигмы, которая тоже использует антропный принцип, но особым способом, предполагающим полностью научное объяснение наблюдаемой щедрости Вселенной, – при помощи физического дарвинизма, как я его называю.Каковы же законы физики, о которых я говорил? Как они сформулированы? До тех пор, пока не появился Ричард Фейнман, единственным инструментом, который использовали теоретики для выражения законов физики, были загадочные непроходимые уравнения квантовой теории поля – настолько сложные, что даже у математиков были проблемы с их пониманием. Но сверхъестественная способность Фейнмана визуализировать физические явления в корне изменила ситуацию. Он придумал, как обобщить законы элементарных частиц в виде несколько простых рисунков. Фейнмановские диаграммы и законы физики элементарных частиц, известные физикам как стандартная модель, будут предметом главы 1.
Действительно ли Вселенная и законы природы настолько сбалансированы? Вторую главу, которую я назвал «Мать всех физических проблем», правильнее было бы назвать «Мать шаткого равновесия». Если законы элементарных частиц перенести на законы гравитации, результатом станет потенциальная катастрофа: мир, в котором небесные тела поведут себя подобно элементарным частицам, будет разорван на куски самой разрушительной силой, какую только можно себе вообразить. Единственный выход из этого кошмара – подобрать значение одной из констант, космологической постоянной Эйнштейна, настолько точно, что никому даже в голову не придёт, что это значение могло возникнуть случайным образом.
Космологическая постоянная была введена Эйнштейном вскоре после завершения его теории гравитации, и вот уже более 90 лет она является величайшей загадкой для физиков-теоретиков. Она описывает силу отталкивания – наподобие антигравитации – силу, которая могла бы полностью разметать Вселенную, не будь космологическая постоянная столь исчезающе малой. А проблема в том, что все современные теории требуют, чтобы космологическая постоянная была отнюдь не малой. Современная физика покоится на двух основаниях: теории относительности и квантовой механике. Общим результатом построения мира на этих принципах оказывается Вселенная, которая очень быстро самоуничтожается. Но по совершенно необъяснимым причинам космологическая постоянная «отрегулирована» с удивительной степенью точности. Для некоторых этот факт больше, чем какой-либо другой, служит основанием считать, что Вселенная должна быть результатом творения.
Но ведь Стандартная модель не вырублена на скрижалях? Может быть, возможны другие законы?
В третьей главе я объясню, почему не все наши частные законы универсальны – они могут изменяться в зависимости от места или времени. Законы физики чем-то похожи на погоду: они управляются невидимыми космическими силами почти так же, как дождь, ветер или град управляются температурой, влажностью, атмосферным давлением и скоростью ветра. Эти невидимые агенты влияния называются полями. Некоторые из них, такие как магнитное поле, нам хорошо знакомы. Многие другие не известны даже физикам. Но они есть, они заполняют пространство и управляют поведением элементарных частиц. Ландшафт – вот термин, который я придумал для описания всей совокупности этого теоретического окружения. Ландшафт – это пространство возможностей, схематическое изображение всех возможных условий, допускаемых теорией. За последние пару лет существование богатого ландшафта возможностей стало центральным вопросом в теории струн.
Но наш спор имеет не только научную сторону. В главе 4 мы поговорим об эстетической стороне дискуссии. Физики, особенно физики-теоретики, наделены обострённым чувством красоты, элегантности и неповторимости. Они всегда считали, что законы природы являются уникальным и неизбежным следствием некоторых элегантных математических принципов. Эта вера настолько глубоко укоренилась в их головах, что большинство моих коллег испытают горькое чувство утраты и разочарования, если окажется, что никакой неповторимости и элегантности на самом деле нет, если выяснится, что законы физики страшны и уродливы. Но что такое элегантность физического закона в понимании физика?
Если единственным критерием правильности устройства Вселенной является возможность существования разумной жизни, то вся теоретическая конструкция вполне может оказаться подобием безумной неуклюжей машины Руба Голдберга.[10 - Определение машины Руба Голдберга см. в главе 4.] Несмотря на уверения физиков, что законы, управляющие элементарными частицами, элегантны, эмпирические данные склоняют нас к противоположному выводу. Вселенная имеет больше общего с машиной Руба Голдберга, чем с уникальным следствием математической симметрии. Мы не сможем полностью вникнуть в споры и оценить необходимость сдвига парадигмы без понимания смысла красоты и элегантности в физике, без знания истории возникновения этих понятий и их соотношения с реальным миром. Эта книга – о концептуальном «землетрясении», но не только в работах теоретиков.
Многое из того, что мы знаем, изве
Страница 8
тно из экспериментальной космологии и современной астрономии. Движущей силой изменения парадигмы являются два ключевых открытия: успех инфляционной космологии и обнаружение очень малой космологической постоянной. Под термином инфляция понимается короткий период быстрого экспоненциального расширения Вселенной, который подготовил сцену мироздания для Большого взрыва. Без инфляции Вселенная, вероятно, так и осталась бы крошечным зёрнышком, не более элементарной частицы. В результате инфляционной фазы Вселенная выросла до размеров, значительно больших, чем всё, что мы можем обнаружить с помощью самых мощных телескопов. Когда в 1980 году Алан Гут впервые предложил инфляционную теорию, было очень мало шансов, что астрономические наблюдения когда-либо смогут её подтвердить или опровергнуть. Но с тех пор астрономия расширила свои возможности на несколько порядков и то, что когда-то казалось немыслимым, сегодня является свершившимся фактом.Невероятные достижения в астрономии привели ко второму открытию, которое обрушилось на физиков как гром среди ясного неба и настолько шокировало научный мир, что мы до сих пор не оправились от его последствий. Все были уверены, что давно забытая космологическая постоянная[11 - Известная также как «тёмная энергия».] равна нулю, и вдруг оказалось, что нет. Это выглядело так, будто в законах природы кто-то специально прописал ненулевое значение космологической постоянной, чтобы предохранить зарождающуюся жизнь от смертельной опасности – и ни для чего более. Глава 5 посвящена этим открытиям. В этой главе также сообщаются основные сведения из астрономии и космологии, которые понадобятся читателю.
Космологическая постоянная может служить «матерью эквилибристики», но существует и множество дополнительных деликатных условий, которые кажутся фантастическим стечением обстоятельств. В главе 6 «О мороженой и варёной рыбе» будет рассказано об этих менее значительных гирьках, уравновешивающих Вселенную. Они варьируются от космологических до микроскопических масштабов, от сценария расширения Вселенной до масс элементарных частиц, таких как протон и нейтрон. Усвоенный нами урок свидетельствует, что Вселенная не является простой, напротив, она полна удивительных, необъяснимых счастливых случайностей.
До недавнего времени антропный принцип почти всеми физиками воспринимался как ненаучная, религиозная и вообще тупиковая и ошибочная идея. По их мнению, этот принцип был плодом горячечного бреда опьянённых космологов, упившихся собственными мистическими идеями. Реальным теориям, таким как теория струн, надлежит разрешать все загадки природы научным путём, который не имеет ничего общего с возможностью или невозможностью нашего собственного существования. Но потрясающий поворот судьбы поставил струнных теоретиков в неловкое положение: теперь их собственная заветная теория повернулась против них и стала оружием в руках их противников. Вместо одной уникальной элегантной теоретической конструкции она создаёт колоссальный ландшафт в духе машины Руба Голдберга. В результате многие струнные теоретики сменили сторону баррикад. В главах 7, 8, 9 и 10 я расскажу о теории струн и о её влиянии на сдвиг парадигмы.
В главах 11 и 12 речь пойдёт о новых представлениях о Вселенной, которые формируются благодаря совместной работе астрономов, космологов и физиков-теоретиков: о мире, который, согласно космологам Андрею Линде, Александру Виленкину и Алану Гуту, состоит из практически бесконечной коллекции невероятно разнообразных «карманных вселенных». В каждом кармане стоит собственная «погода»: свой собственный список элементарных частиц, набор взаимодействий и физических констант. Последствия такого широкого взгляда на Вселенную очень важны для физики и космологии. Вопрос «Почему в нашей Вселенной всё так, как мы наблюдаем?» может быть теперь заменён вопросом «Есть ли среди этого бесчисленного разнообразия карманов такой, условия в котором похожи на условия в нашей Вселенной?» О механизме, называемом вечной инфляцией и приводящем к этому разнообразию путём эволюции из начального хаоса, о революционных изменениях в дискуссии об антропном принципе, к которому привела новая теория, идёт речь в главе 11.
Сдвиг космологической парадигмы касается не только основ теоретической физики. В главе 12 рассказывается о битве титанов, о конфликте, который я называю «Битва при чёрной дыре». Эта битва разыгрывалась последние тридцать лет и радикально изменила понятия физиков о гравитации и чёрных дырах. Битва велась за судьбу информации, падающей за горизонт событий чёрной дыры: теряется ли она навсегда для внешнего наблюдателя, остающегося по эту сторону горизонта? Или же существуют какие-то тонкие неведомые каналы связи, по которым информация возвращается в нашу Вселенную, после того как чёрная дыра испаряется? Хокинг отстаивал мнение, что вся информация, ушедшая за горизонт, теряется безвозвратно. Нет ни малейшего способа получить информацию об объектах, которые находятся по ту сторону. Но это оказалось не так. Законы к
Страница 9
антовой механики не допускают возможности потерять даже один бит. Для того чтобы понять, как информация избегает пожизненного заключения в чёрной дыре, необходимо было полностью перестроить самые фундаментальные представления о пространстве.Чем же «Битва при чёрной дыре» поможет нам в поиске ответов на вопросы, поднимаемые в этой книге? Поскольку под влиянием космологической постоянной Вселенная расширяется, в космологическом масштабе тоже должен существовать горизонт событий. Наш космический горизонт располагается на расстоянии около 15 миллиардов световых лет от Земли, где звезды «убегают» так быстро, что их свет уже никогда не достигнет нас, как и любой другой сигнал. Это, как и в случае с горизонтом чёрной дыры, – точки, откуда нет возврата. Единственное отличие в том, что космический горизонт окружает нас, в то время как горизонт чёрной дыры окружаем мы. В любом случае ничто из-за горизонта не может влиять на нас, по крайней мере, так считалось… Кроме того, другие карманные вселенные – гигантское море разнообразия – находятся вне нашей досягаемости, за горизонтом! Согласно классической теории, эти другие миры навсегда изолированы от нашего мира. Но те же аргументы, при помощи которых была выиграна «Битва за Чёрную дыру», применимы и к космологическим горизонтам. Свидетельства существования и детали устройства всех прочих карманных вселенных содержатся в тонких особенностях космического излучения, которое постоянно омывает все части нашей наблюдаемой Вселенной. Глава 12 является введением в «Битву за Чёрную дыру», рассказом о том, как она была выиграна и какие последствия это имело для космологии.
Споры и дискуссии, изложенные в «Космическом ландшафте», происходили в реальности: физики и космологии со всей страстью отстаивали собственные взгляды, всё это было на самом деле. Глава 13 посвящена современным взглядам ведущих физиков-теоретиков и космологов и их спорам. Также в ней обсуждаются различные пути, которыми эксперименты и наблюдения могут помочь нам достичь консенсуса.
На вопрос Виктора «Почему бы не допустить, что наше существование есть проявление бесконечной любви и доброты Бога?» я бы привёл ответ Лапласа Наполеону: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе». «Космический ландшафт» – вот мой ответ, и в равной мере это – ответ постоянно растущей армии физиков и космологов на парадокс доброжелательной Вселенной.
Глава 1. Фейнмановский мир
Без сомнения, мы никогда не узнаем имени первого космолога, который посмотрел в небо и задался вопросами: «Что всё это значит? Откуда оно взялось? Какова моя роль во всём этом?» Мы можем лишь предположить, что это произошло в доисторические времена, вероятно, в Африке. Первые космологические модели, базировавшиеся на мифах, не имели ничего общего с сегодняшней научной космологией, но они родились из того же человеческого любопытства. Неудивительно, что эти мифы рассказывали о земле, воде, небе и живых существах. И разумеется, они апеллировали к сверхъестественному творцу: как же ещё объяснить существование таких сложных и замысловатых существ, как люди, не упомянуть дождь, солнце, съедобных животных и растения, которые, кажется, созданы исключительно для нашей пользы?
Идея о существовании точных законов, управляющих как горним, так и дольним миром, отсылает нас к Исааку Ньютону. До Ньютона не существовало концепции универсальных законов, одинаково применимых как к небесным телам типа планет, так и к повседневным земным явлениям: льющемуся дождю или летящей стреле. Ньютоновские законы движения служат первым примером таких универсальных законов. Но даже могучий ум сэра Исаака не сумел проникнуть настолько далеко, чтобы предположить, будто те же самые законы способны привести и к возникновению человека. К сожалению, Ньютон тратил больше времени на теологию, чем на физику.
Хоть я и не историк, всё же рискну высказать мнение, что современная космология фактически началась с Дарвина и Уоллеса.[12 - Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) – британский натуралист, путешественник, географ, биолог и антрополог, современник Дарвина и сооткрыватель механизма естественного отбора. Именно знакомство с записками Уоллеса и сподвигло Дарвина на публикацию своей работы.] В отличие от своих предшественников, им удалось представить объяснение нашего существования, полностью исключающее вмешательство сверхъестественных сил. В основе эволюционного учения Дарвина лежат два эмпирических закона. Первый говорит о том, что невозможно полностью избежать ошибок при копировании информации. Даже лучший репродуктивный механизм время от времени даёт сбои, и репликация ДНК – не исключение. За столетие до открытия Криком и Ватсоном двойной молекулярной спирали ДНК Дарвин интуитивно понял, что накапливание случайных мутаций и есть тот механизм, который служит локомотивом эволюции. Большинство мутаций неблагоприятны, но Дарвин достаточно хорошо разбирался в вероятностях, чтобы понимать, что то и дело по чистой случайности возникают и полезные мутации.
Вторым столпом интуитивной т
Страница 10
ории Дарвина был принцип конкуренции. Победитель размножается. Лучшие гены обеспечивают процветание, худшие приводят в смертельный эволюционный тупик. Эти две простые идеи великолепно объясняют, как сложные и даже разумные формы жизни способны развиться без сверхъестественного вмешательства. В сегодняшнем мире компьютерных вирусов и интернет-червей очень легко представить себе аналогичные эволюционные принципы применительно к неживым объектам. После того как мы удалили магию из происхождения живых существ, перед нами открывается путь к чисто научному объяснению акта творения.Дарвин и Уоллес задали стандарты не только для биологических наук, но также и для космологии. Законы, управляющие рождением и эволюцией Вселенной, должны быть теми же самыми законами, которые управляют падением камней, химическими реакциями, ядерными процессами и превращениями элементарных частиц. Они освобождают нас от оков сверхъестественного, показывая, что сложная и даже разумная жизнь может развиться естественным образом из случайностей путём конкуренции. Космологам следует поступить так же: положить в основу космологии обезличенные правила, одинаковые для всей Вселенной, происхождение которых не имеет никакой связи с нашим собственным существованием. Единственный бог, существование которого могли бы допустить космологи, – это «слепой часовщик» Ричарда Докинза.[13 - Слепой часовщик в заглавии книги Ричарда Докинза взят из трактата Уильяма Пейли, доказывавшего, что часы не могут появиться самопроизвольно, а только как результат деятельности разумного существа (часовщика). Докинз в своей книге показывает, что естественный отбор, слепо оперирующий спонтанными вариациями простых исходных форм, может породить не менее сложные конструкции. Эта метафора может быть легко распространена и на процесс создания космоса.]
Современная космологическая парадигма не очень стара. Когда я был молодым и учился в магистратуре Корнелльского университета, в начале 1960-х, Теория Большого взрыва ещё находилась в состоянии острой конфронтации с другим серьёзным претендентом – Теорией стационарной Вселенной, которая была очевидным логическим антагонистом теории Большого взрыва. Если теория Большого взрыва утверждала, что Вселенная возникла в какой-то момент времени, то теория стационарной Вселенной говорила, что Вселенная существовала всегда. Эта теория была детищем трёх знаменитых космологов: Фреда Хойла, Германа Бонди и Томаса Голда, считавших возникновение Вселенной в результате происшедшего каких-то десять миллиардов лет назад взрыва слишком сомнительным событием. Голд был профессором в Корнелле, и его кабинет располагался всего через несколько дверей от моего. В те времена он неустанно проповедовал добродетель бесконечно старой и бесконечно большой Вселенной. Моё знакомство с ним ограничивалось тем, что мы здоровались по утрам, но однажды, что было очень нехарактерно для него, Голд подсел с чашкой кофе к нескольким студентам, и у меня появилась возможность задать ему давно мучивший меня вопрос: «Если Вселенная вечна и неизменна, как так получается, что галактики удаляются друг от друга? Не означает ли это, что в прошлом они были более тесно упакованы в пространстве?» Объяснение Голда было простым: «Разумеется, галактики разлетаются, но по мере того, как они удаляются друг от друга, освобождающееся пространство между ними заполняется вновь создаваемой материей». Это был, конечно, разумный, но не имеющий математического смысла ответ. В течение нескольких последующих лет теория стационарной Вселенной уступила место теории Большого взрыва и была забыта. Победившая парадигма Большого взрыва утверждала, что расширяющаяся Вселенная насчитывает около десяти миллиардов лет и имеет протяжённость в десять миллиардов световых лет.[14 - Один световой год – это, как можно догадаться, расстояние, которое свет пролетает за один год. Оно составляет приблизительно десять триллионов километров.] Однако одно утверждение разделялось обеими теориями: уверенность в том, что Вселенная однородна, то есть что в любой её части на протяжении всей её истории действуют одни и те же физические законы, причём это именно те самые законы, которые мы открываем в наших земных лабораториях.
Было интересно наблюдать взросление экспериментальной космологии. За последние сорок лет она превратилась из набора качественных гипотез в зрелую и очень точную количественную науку. Но лишь сравнительно недавно основные концепции теории Большого взрыва, сформулированные ещё Георгием Гамовым, начали вытесняться более мощными идеями. На заре нового столетия мы вдруг обнаружили, что перешли тот водораздел, который, по-видимому, навсегда изменит наши представления о Вселенной. Случилось нечто гораздо более важное, чем открытие нового факта или вывод нового уравнения. Наше видение мира, рамки, ограничивающие наше мышление, более того, вся эпистемология физики и космологии сейчас переживают серьёзное потрясение. Узкая парадигма XX века, представляющая единственную Вселенную с возрастом в десять ми
Страница 11
лиардов лет и десяти миллиардов световых лет в поперечнике, уступает место чему-то несравнимо большему, готовому разродиться массой новых возможностей. Постепенно космологи и физики вроде меня приходят к точке зрения на нашу десятимиллиардолетнюю Вселенную как на один из бесконечно малых карманов колоссального Мегаверсума,[15 - Термин мультиверсум или мультивселенная используется более широко, чем термин Мегаверсум, но лично я предпочитаю Мегаверсум как более звучный термин. Мои извинения энтузиастам мультивселенной.] в то время как физики-теоретики предлагают теории, задвигающие наши обычные законы природы в дальний угол гигантского ландшафта математических возможностей.Слову «ландшафт» в том значении, в котором оно используется в контексте этой книги, всего несколько лет, но с тех пор, как я в 2003 году ввёл его в обращение, оно заняло прочное положение в космологическом лексиконе. Оно обозначает математическое пространство, представляющее все возможные природные условия, допускаемые теорией. Каждая возможная реализация условий содержит свои собственные физические законы, собственный набор элементарных частиц и фундаментальных констант. Некоторые из реализуемых миров очень похожи на наш, но отличаются в деталях. Например, один мир может содержать электроны и кварки и все прочие элементарные частицы, известные в нашем мире, но гравитационное взаимодействие в нём будет в миллиард раз сильнее. В другом гравитационные силы будут такими же, как и в нашем мире, но электроны – тяжелее атомных ядер.[16 - В нашем мире атомные ядра в тысячи раз тяжелее электронов.] Третий окажется во всём похож на наш, за исключением огромной отталкивающей силы (она описывается космологической постоянной), растаскивающей в разные стороны галактики, молекулы и даже атомы. И даже трёхмерность нашего пространства не является «священной коровой»; отдельные области Ландшафта могут иметь четыре, пять, шесть и больше пространственных измерений.
Согласно современным космологическим теориям, разнообразие ландшафта приводит к соответствующему разнообразию в обычном пространстве. Лучшая на сегодняшний день теория Вселенной – инфляционная космология – против нашей воли приводит нас к концепции Мегаверсума, заполненного огромным количеством миров, которые Алан Гут назвал «карманными вселенными». Некоторые из карманных вселенных микроскопически малы и никогда не достигнут макроразмеров. Другие – велики, как наша, но абсолютно пусты. И каждая из них расположена в собственной маленькой долине космического Ландшафта. Так что старый вопрос XX века «Что мы можем найти во Вселенной?» теперь следует переформулировать в виде: «Что мы не можем в ней найти?»
Следует также пересмотреть и переосмыслить место человека во Вселенной. Мегаверсум столь разнообразен, что вряд ли допускает существование разумной жизни повсюду, но она может развиваться в отдельных его частях. Согласно этой новой точке зрения, ответы на множество вопросов типа: «Почему эта физическая константа имеет именно такое значение, а не другое?» будут радикально отличаться от тех, которые надеялись услышать физики. Уникальные значения констант не будут являться результатом строгого математического вывода, поскольку Ландшафт допускает бесконечное число вариаций всех возможных значений. Вместо этого ответом будет: «Где-то в Мегаверсуме эта константа имеет такое значение, а где-то – сякое. Мы живём в одном маленьком кармане, в котором значения констант таковы, что позволяют существовать жизни нашего типа. Именно поэтому. И это всё! Других ответов нет».
Мы наблюдаем удивительно гармоничное сочетание законов природы и значений фундаментальных констант, которое не имеет никакого иного объяснения, кроме как: «Если бы было иначе, разумная жизнь не могла бы существовать». Некоторым кажется, что законы физики, по крайней мере часть их, были специально подобраны с таким расчётом, чтобы обеспечить наше существование. Эта идея, называемая антропным принципом, ненавидима большинством физиков, о чём я уже упомянул во Введении. Для многих она пахнет сверхъестественным мифом творения, религией и разумным замыслом. Кое-кто считает, что она призывает сдаться и отказаться от благородных поисков рациональных ответов. Но из-за новых беспрецедентных открытий в физике, астрономии и космологии те же самые физики вынуждены в настоящее время пересматривать свои предубеждения. Движущей силой, которая гонит эти волны перемен, служат четыре принципиальных открытия: два в области теоретической физики и два – в области наблюдательной астрономии. С теоретической стороны гонит волну ответвление инфляционной теории, называемое теорией вечной инфляции и требующее, чтобы мир представлял собой Мегаверсум, наполненный карманными вселенными, раздувающимися подобно пузырькам газа в только что откупоренной бутылке шампанского. В то же время теория струн порождает невероятно разнообразный ландшафт. Лучшая оценка даёт 10
различных вариантов возможных миров. Это число (единица с пятьюстами нулями) намного превосходит
Страница 12
амые «невообразимо большие» числа, но даже оно может оказаться недостаточно большим, чтобы описать все возможные варианты.Самые последние астрономические открытия были сделаны практически параллельно с теоретическими достижениями. Новейшие астрономические данные подтверждают, что Вселенная во время инфляционной фазы экспоненциально расширилась до размеров, в невероятное число раз превышающих те стандартные десять или пятнадцать миллиардов световых лет, которыми мы привыкли оперировать. У нас практически не осталось сомнений, что мы являемся частью намного большего Мегаверсума. Но самой потрясающей новостью оказалось то, что в нашем космическом кармане пресловутая космологическая постоянная (математический член, который Эйнштейн ввёл в свои уравнения и впоследствии решительно от него отказался) отнюдь не равна нулю, как предполагалось ранее. Эти открытия раскачали лодку больше, чем какие-либо другие. Космологическая постоянная вносит в гравитационное взаимодействие дополнительную силу отталкивания, своего рода антигравитацию, в существование которой в реальном мире абсолютно никто не верил. Сам факт наличия ненулевого космологического члена стал катастрофой для физиков, и единственный известный нам способ хоть как-то осмыслить это открытие – апелляция к презираемому и поносимому антропному принципу.
Я не знаю, какие ещё странные и невообразимые повороты будет преодолевать наше представление о Вселенной на пути исследования просторов космического Ландшафта. Но я уверен, что на рубеже XXII века философы и физики будут смотреть на наше «сегодня» как на рубеж, на котором концепция устройства Вселенной XX века уступила место Мегаверсуму, заполненному Ландшафтом умопомрачительных масштабов.
Природа дрожит
Если квантовая теория не потрясла тебя, значит, ты её ещё не понял.
Нильс Бор
Утверждение, что Законы Физики могут меняться во Вселенной от места к месту, имеет такую же степень бессмысленности, как и утверждение, что в природе существует более чем одна вселенная. Вселенная – в буквальном смысле слова – это всё, что существует, и по идее это существительное вообще не должно иметь множественного числа. Законы, управляющие Вселенной в целом, не могут меняться, потому что сразу же возникает вопрос: а какие законы управляют изменением законов? Относятся ли эти законы к Законам Физики?
Но я понимаю под Законами Физики нечто более скромное, чем великие всеобъемлющие законы, регулирующие все аспекты Мегаверсума. Я понимаю под ними то же, что понимали рядовые физики XX века, занятые в большей степени своими лабораторными исследованиями, нежели размышлениями о судьбах Вселенной: под Законами Физики я понимаю законы, управляющие «строительными блоками» обычной материи.
Эта книга – именно о таких Законах Физики. Она ставит вопрос не «Что они такое?», а «Почему они такие?». Что же это за законы? Что они утверждают и как они выражаются? Задача первой главы моей книги – коротко рассказать о законах физики, как они понимаются в начале третьего тысячелетия.
Для Исаака Ньютона и его последователей физический мир представлял собой строго детерминированную машину, будущее которой однозначно определялось её прошлым с той же неизбежностью, «как вслед за днём бывает ночь». Законы природы представляли собой правила (уравнения), описывающие этот детерминизм точным математическим языком. Например, можно совершенно однозначно определить траекторию, по которой будет двигаться объект, точно задав его начальные координаты и скорость. Великий французский физик Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) выражал идею детерминизма следующим образом:
«Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие его прошлого и причину его будущего. Разум, которому в каждый определённый момент времени были бы известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел, из которых она состоит, будь он также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайшего атома; для такого разума ничего не было бы неясного, и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое».
Поскольку высказывание Лапласа звучит несколько витиевато, я должен пересказать его в более строгой формулировке: если в какой-то момент времени вы (или некий сверхразум) получите абсолютно точную информацию о координатах и скоростях всех частиц во Вселенной, то сможете с абсолютной точностью предсказать будущее этого мира на сколь угодно большой промежуток времени. Этот ультрадетерминистический взгляд на природу был превалирующей парадигмой вплоть до начала XX века, когда явился мятежный мыслитель Эйнштейн и всё изменил. Хотя Эйнштейн в основном известен как творец теории относительности, его важнейшим и радикальным вкладом в физику, вкладом, подрывающим основы физики, было создание вовсе не теории относительности, а странного мира квантовой механики. И тогда физики пришли к пониманию, что Законы Физики – это в первую очередь законы квантовой
Страница 13
еханики. Именно поэтому я собираюсь начать первую главу с краткого введения в философию квантовой механики.Представьте себе мир современной физики, напоминающий кэрролловскую Страну чудес, мир, где всё является не тем, чем кажется, всё флуктуирует и мерцает и над всем царит неопределённость. Забудьте предсказуемую «заводную» Вселенную Ньютона. Мир квантовой механики полностью непредсказуем. Революция, происшедшая в физике в начале XX века, была отнюдь не «бархатной». Она не только изменила уравнения, которыми описываются физические законы, но и разрушила эпистемологические основы классической физики и философии.
Многие физики не сумели перестроить разум на новый лад и мыслями остались в XIX веке. Но более молодое и более гибкое поколение исследователей, упиваясь новыми необычными идеями, создало интуитивно понятный и мощный способ описания новой физики. Их вклад позволил моему поколению уже гораздо проще мыслить квантово-механическими и релятивистскими представлениями, чем классическими.
Создание квантовой механики стало величайшим потрясением за всю историю физики. Квантовый мир – это мир постоянных флуктуаций, мир вероятностей и мир неопределённости. Но электрон не шатается по пространству, будто пьяный матрос по пирсу, он подчиняется достаточно строгим шаблонам случайности, которые могут быть точно описаны каббалистическими символами абстрактной математики. Однако небольшие усилия с моей стороны и немного терпения с вашей позволят нам перевести наиболее важные положения квантовой механики на простой и понятный человеческий язык.
Начиная с XIX века физики использовали метафору бильярда, представляя физический мир как набор взаимодействующих и сталкивающихся частиц. Эту аналогию использовали и Максвелл, и Больцман. Она используется и в настоящее время для объяснения квантового мира. В первый раз я слышал её от Ричарда Фейнмана, который придумал следующее описание:
Представьте идеальный бильярдный стол, катаясь по которому, шары не испытывают трения, а все столкновения шаров абсолютно упругие, то есть при столкновениях шаров не происходит потери кинетической энергии. В дополнение ко всему уберём лузы, так что шары, однажды приведённые в движение, будут бесконечно долго продолжать двигаться, сталкиваясь друг с другом и со стенками бильярда. В начале игры пятнадцать шаров располагаются в виде треугольника, наподобие двумерного аналога пирамиды пушечных ядер. Шестнадцатый шар разбивает пирамиду.
То, что произойдёт далее, чрезвычайно сложно поддаётся предсказанию и точному описанию. Но почему? Потому что каждое столкновение умножает незначительные различия между начальными скоростями и положениями шаров, и даже очень малое изменение начальных параметров приводит к огромному изменению конечных скоростей и координат после множества столкновений. Ситуация подобной ультрачувствительности поведения системы к начальным условиям называется хаосом, и она типична для окружающей нас природы. В отличие от моделирования шахматной партии, где начальные условия описываются набором целых чисел, при моделировании бильярдной партии нужна практически бесконечная точность. Тем не менее в классической физике шары движутся по идеально точным траекториям и их движение полностью предсказуемо, если только начальные положения и скорости шаров известны нам с бесконечной точностью. Разумеется, чем на более отдалённый момент времени мы хотим предсказать движение шаров, тем с большей точностью нам необходимо знать начальные условия. Но поскольку не существует никаких ограничений на точность задания начальных условий, то соответственно нет и никаких ограничений на точность предсказаний будущего или реконструкции прошлого.
В противоположность классическому квантовый бильярд совершенно непредсказуем, независимо от того, насколько точно мы зададим начальные условия. Не существует такой точности, которая позволила бы нам предсказать что-либо, кроме статистического поведения шаров. В классическом бильярде мы прибегаем к статистическому описанию из-за того, что мы не можем чисто технически достичь необходимой точности определения начальных условий, или из-за того, что решение соответствующих уравнений оказывается слишком сложным. Но квантовый случай не оставляет нам выбора. Законы квантовой механики содержат принципиальную неопределённость, которая не может быть устранена. Почему? Из-за чего мы оказываемся не в состоянии предсказать будущее на основе заданных начальных координат и скоростей? Ответ кроется в знаменитом принципе неопределённости Гейзенберга.
Принцип неопределённости накладывает фундаментальное ограничение на точность одновременного определения координат и скоростей. Это физический аналог ситуации, описанной в «Уловке 22». Пытаясь увеличить точность наших знаний о текущем местоположении шара, мы неизбежно теряем в точности знаний о его последующем положении. Принцип неопределённости является не просто качественной характеристикой поведения объектов, он имеет точную количественную формулировку: произведение н
Страница 14
определённости координаты и неопределённости импульса[17 - Импульс определяется как произведение массы объекта на его скорость.] объекта всегда больше некоторой (очень малой) величины, называемой постоянной Планка.[18 - Постоянная Планка обозначается буквой h, и её числовое значение равно 6,626068 ? 10м
· кг/с.] Сам Гейзенберг и многие после него мечтали найти способ обойти принцип неопределённости. Гейзенберг использовал в своих рассуждениях в качестве примера электроны, но с таким же успехом можно рассматривать и бильярдные шары. Представим себе квантовый бильярдный шар, освещённый потоком света. Отражённый от поверхности шара свет можно сфокусировать объективом на фотографической плёнке и, изучив полученное изображение, сделать вывод о местоположении бильярдного шара. Но как определить его скорость? Простейший и наиболее прямой путь – определить местоположение шара ещё раз через короткий промежуток времени. Зная два последовательных положения тела и разделяющий их промежуток времени, можно без труда вычислить скорость.
Почему эксперимент такого рода невозможен? Ответ отсылает нас к одному из величайших открытий Эйнштейна. Ньютон полагал, что свет состоит из частиц, но в начале XX века корпускулярная теория света была полностью дискредитирована. Многие оптические эффекты, такие как интерференция, могли быть объяснены только в предположении, что свет представляет собой волны, похожие на рябь на поверхности воды. В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал чрезвычайно удачную теорию, описывающую свет в виде электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве подобно звуковым волнам в воздухе. Поэтому предположение, сделанное в 1905 году Эйнштейном, о том, что свет (и все прочие виды электромагнитного излучения) состоит из крохотных частиц, называемых квантами, или фотонами, выглядело, мягко говоря, шокирующим. Эйнштейн странным образом предположил, что свет, сохраняя свои прежние волновые свойства – длину волны, частоту и т. п., – состоит при этом из отдельных частиц – квантов. Эти кванты несут определённые порции энергии, которые не могут быть разделены на более мелкие, и описанные свойства света не позволяют построить с его помощью точное изображение слишком малых объектов.
Начнём с определения положения. Для получения чёткого изображение шара длина волны света должна быть не слишком велика. Правило простое: если вы хотите найти положение объекта с заданной точностью, необходимо использовать свет с длиной волны, не превышающей заданную погрешность. Любые изображения, получаемые при помощи света, являются более или менее нерезкими, и желание увеличить резкость заставляет использовать более короткие волны. Подобная проблема отсутствует в классической физике, где энергия светового импульса может быть сколь угодно малой. Но как показал Эйнштейн, свет состоит из неделимых фотонов, и более того, как мы увидим далее, чем меньше длина волны света, тем больше энергия составляющих его фотонов.
Всё это означает, что для получения более резкого изображения, позволяющего более точно определить положение шара, требуется использовать фотоны более высоких энергий. Но это накладывает серьёзные ограничения на точность последующего измерения скорости. Дело в том, что более энергичные фотоны, отражаясь от бильярдного шара, будут передавать ему больший импульс, тем самым изменяя его скорость. Это наглядный пример провала попытки определить положение и скорость с бесконечной точностью.
Обнаруженная в 1905 году связь между длиной волны электромагнитного излучения и энергией фотонов (чем меньше длина волны, тем больше энергия) стала одним из важнейших открытий Эйнштейна. В порядке увеличения длины волны спектр электромагнитного излучения состоит из гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного света, микроволнового излучения и радиоволн. Радиоволны имеют длины волн от долей метра до космических размеров. Они представляют собой очень плохой выбор для получения резких изображений обычных объектов, потому что величина размытия изображения будет порядка длины волны. На экране радиолокатора человек будет неотличим от мешка с грязным бельём. Более того, мы даже не сможем точно сказать, одного или двух людей мы видим, если расстояние между ними будет меньше длины радиоволны. Все изображения будут выглядеть размытыми пятнами. Это не означает, что радиоволны бесполезны для получения изображений: они просто не годятся для изображения слишком малых предметов. Радиоастрономия является очень мощным методом изучения крупных астрономических объектов, в то время как гамма-излучение лучше всего подходит для получения информации об очень мелких вещах, таких как атомные ядра, потому что длина волны гамма-кванта намного меньше размера атома.
Другими словами, энергия кванта увеличивается с уменьшением длины волны. Отдельные радиокванты имеют слишком маленькую энергию, чтобы их обнаружить. Фотоны видимого света более энергичны: одного фотона видимого света достаточно, чтобы разруши
Страница 15
ь молекулу. Адаптированный к темноте человеческий глаз способен различать отдельные фотоны, потому что их энергии достаточно для возбуждения палочек сетчатки. Ультрафиолетовые и рентгеновские фотоны обладают энергией, достаточной для выбивания электрона из атома, а гамма-кванты способны разрушать не только атомные ядра, но даже протоны и нейтроны.Этой обратно пропорциональной зависимостью между длиной волны и энергией объясняется одна из важных тенденций в физике ХХ века: строительство всё более и более мощных ускорителей. Чем глубже пытаются проникнуть физики в структуру материи, исследуя молекулы, атомы, ядра, кварки и т. д., чем более мелкие объекты они исследуют, тем меньшие длины волн им нужны для получения чётких изображений этих объектов. Но уменьшение длины волны неизбежно требует увеличения энергии квантов. Для получения таких высоких энергий частицы приходится ускорять до огромных кинетических энергий. Например, для ускорения электронов до огромных энергий приходится строить гигантские по размерам установки. Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC), располагающийся неподалёку от того места, где я живу, может ускорить электроны до энергий, в 200 000 раз превосходящих их массы. Но это требует машины примерно в две мили длиной. SLAC является по существу двухмильным микроскопом, который позволяет наблюдать объекты в тысячу раз меньшие, чем протон.
По мере того как на протяжении XX века физикам становились доступны для изучения всё более мелкие объекты, ими обнаруживались всё более неожиданные вещи. Одним из самых драматических стало открытие, что протоны и нейтроны не являются элементарными частицами. Расстреливая нуклоны высокоэнергетичными частицами, учёные сумели различить составляющие их крошечные компоненты – кварки. Но даже при самых больших энергиях (которым соответствуют самые малые длины волн) электрон, фотон и кварк остаются, насколько мы можем утверждать, точечными объектами. Это означает, что мы не можем обнаружить никакой внутренней структуры или составляющих частей электронов и кварков, равно как не можем и определить их размеры. Они так и остаются для нас бесконечно малыми точками.
Вернёмся к принципу неопределённости Гейзенберга и его последствиям. Представим себе один шар на бильярдном столе. Так как шар не может покинуть бильярдный стол, мы автоматически кое-что уже знаем о его положении в пространстве: неопределённость его положения не больше, чем размеры стола. Чем меньше стол, тем более точно мы знаем положение шара, но тем выше становится неопределённость импульса. Если бы мы начали измерять скорость шара, запертого в пределах бильярдного стола, то в разные моменты времени получили бы разные значения скорости, и в первую очередь это касается направления скорости. Если же мы попытаемся отобрать у шара всю его кинетическую энергию, то обнаружим, что в квантово-механическом случае остаточные колебания не могут быть устранены. Брайан Грин[19 - Брайан Грин, «Элегантная Вселенная».] придумал для описания этого движения термин квантовая дрожь, и я буду следовать его примеру. Кинетическая энергия, связанная с квантовой дрожью, называется энергией нулевых колебаний, и её невозможно отобрать у квантового объекта.
Существование квантовой дрожи, требуемое принципом неопределённости, приводит к интересному следствию, когда мы пытаемся охладить обычное вещество до нулевой температуры. Тепло, как известно, представляет собой кинетическую энергию случайных движений молекул. В классической физике при охлаждении системы до абсолютного нуля молекулы в конце концов полностью останавливаются и, как результат, их кинетическая энергия тоже становится равной нулю.
Каждая молекула в твёрдом теле имеет вполне определённое положение, только она удерживается на месте не бортами бильярдного стола, а другими молекулами. Принцип неопределённости требует, чтобы каждая молекула обязательно обладала некоторой скоростью. В результате в реальном веществе, подчиняющемся законам квантовой механики, кинетическая энергия никогда не может быть отобрана у молекул полностью, даже при абсолютном нуле!
Координата и скорость – отнюдь не единственные параметры, на которые накладывает ограничение принцип неопределённости. Существует много пар так называемых сопряжённых величин, которые не могут быть определены одновременно: чем более точно фиксируется одна, тем сильнее флуктуирует другая. Очень важным примером является принцип неопределённости энергии-времени: невозможно определить точный момент времени, в который происходит событие, и точное значение энергий объектов, принимающих в нём участие. Предположим, что физик-экспериментатор захотел столкнуть две частицы в конкретный момент времени. Принцип неопределённости энергии-времени ограничивает точность, с которой он может измерить энергию частиц, а также момент времени, в который произошло столкновение. Увеличение точности измерения энергии неизбежно приводит к увеличению неопределённости момента столкновения – и наоборот.
Ещё один важный пример, который
Страница 16
ы рассмотрим в главе 3, касается величин электрического и магнитного полей в определённой точке пространства. Эти поля, которые будут играть главную роль в последующих главах, являются невидимой субстанцией, заполняющей пространство и управляющей силами, действующими на электрически заряженные частицы. Напряжённости электрического и магнитного полей, подобно координате и скорости частицы, не могут быть определены одновременно. Если точно известна напряжённость одного, то напряжённость другого обязательно неопределённа. По этой причине поля находятся в состоянии постоянного «дрожания», которое не может быть устранено, что, как и следует ожидать, приводит к появлению некоторой плотности энергии, даже в абсолютно пустом пространстве. Эта вакуумная энергия привела к одному из величайших парадоксов современной физики и космологии. Мы ещё неоднократно вернёмся к нему в следующих главах.Неопределённость и дрожь – ещё не всё. Квантовая механика имеет другую, квантовую сторону. Слово «квантовый» подразумевает некоторую степень дискретности, или зернистости, природы. Фотоны – порции энергии, составляющие световые волны, являются лишь одним из примеров. Электромагнитное излучение является колебательным процессом, или, другими словами, осцилляцией. Ребёнок на качелях, колеблющаяся пружина, вибрирующая скрипичная струна, звуковая волна всё это колебательные явления, и все они обладают свойством дискретности. В каждом случае энергия изменяется квантовыми дискретными порциями, которые не могут быть разделены на части. В макроскопическом мире пружин и качелей величина кванта энергии настолько мала, что нам кажется, будто энергия может принимать любые произвольные значения. Но на самом деле энергия любого колебания кратна некоторой минимальной неделимой величине, равной частоте колебаний, умноженной на постоянную Планка.
Электроны в атоме также колеблются, окружая ядро. В этом случае квантование энергии можно описать, воображая, что электроны движутся по дискретным орбитам. В атоме, который построил Бор, электроны представляются бегающими вокруг ядра, как если бы они были вынуждены двигаться по отдельным полосам беговой дорожки. Энергия электрона определяется номером полосы, которую он занимает.
Хотя дрожь и дискретность квантового мира и выглядят странными, но по-настоящему странным квантово-механическим поведением является интерференция. Это замечательное явление иллюстрирует знаменитый эксперимент с двумя щелями. Представьте себе небольшой источник света – очень яркую миниатюрную лампочку в тёмной комнате, а ещё лучше – лазерный луч. На некотором расстоянии от него помещена фотоплёнка. Когда свет от источника попадает на плёнку, она чернеет – точно так же, как и обычная фотографическая негативная плёнка. Очевидно, что если на пути света поместить непрозрачное препятствие, например лист металла, то свет не попадёт на плёнку и никакого почернения наблюдаться не будет. Теперь прорежем в листе металла две параллельные вертикальные щели, так чтобы свет попадал на плёнку, проходя через них. Наш первый эксперимент очень прост: закроем одну щель, скажем левую, и включим источник света.
Спустя какое-то время на плёнке появится широкая полоса – размытое изображение правой щели. Теперь закроем правую щель и откроем левую. На плёнке появится вторая широкая полоса, частично перекрывающая первую.
Снова возьмём неэкспонированную плёнку, но на этот раз откроем обе щели. Если вы заранее не знаете, чего ожидать, результат может вас удивить. На плёнке не будет двух перекрывающихся пятен, как в предыдущем случае. Вместо этого мы обнаружим череду узких тёмных и светлых полос, как на шкуре зебры. В области перекрытия тёмных пятен из предыдущего эксперимента теперь присутствуют незасвеченные участки. Свет как будто самоуничтожается в некоторых местах, пройдя через правую и левую щели. Это явление называется деструктивной интерференцией и представляет собой хорошо известное свойство волн. Ещё одним примером интерференции являются биения, которые вы слышите, когда звучат две практически одинаковые ноты.
Если вы попробуете провести этот эксперимент дома, то обнаружите, что всё не так просто, как я рассказываю. Во-первых, интерференционная картина будет хорошо видна, только если щели очень узкие и расположены очень близко друг к другу. Не пытайтесь прорезать щели консервным ножом – ничего путного не получится. Лучше возьмите бритву. Во-вторых, источник света должен быть точечным. Древний нетехнологичный способ создания точечного источника света состоит в закрывании лампочки накаливания чёрной бумагой, в которой проколото булавочное отверстие. Современный высокотехнологичный способ заключается в использовании лазера. Идеально подойдёт лазерная указка. Проходя через аккуратно прорезанные щели, лазерный свет создаёт прекрасную чёткую интерференционную картину. Основная трудность при проведении этого эксперимента – надёжно закрепить все компоненты.
Продолжим наши оптические экзерсисы, но на этот раз бу
Страница 17
ем уменьшать интенсивность источника до тех пор, пока из него не начнут вылетать по одному отдельные фотоны. При попадании на достаточно чувствительную фотоплёнку отдельный фотон оставляет на ней чёрную точку. При длительной экспозиции множество точек создадут изображение. В итоге мы увидим те же узоры, что и в предыдущем эксперименте. Среди прочего этот эксперимент подтверждает идею Эйнштейна о том, что свет состоит из отдельных фотонов. Кроме того, частицы попадают на плёнку случайным образом, и интерференционная картина проявляется, только когда мы накопим достаточно много фотонов.Но эти фотоны ведут себя самым неожиданным образом. Когда открыты обе щели, ни одна частица не попадает на те места фотоплёнки, где имеет место деструктивная интерференция. И это несмотря на тот факт, что фотоны попадают на эти места, когда открыта только одна щель. Складывается впечатление, что открытая левая щель мешает фотонам проходить через правую, и наоборот.
Рассмотрим это под другим углом. Предположим, что точка X соответствует месту на плёнке, в котором происходит деструктивная интерференция. Фотон может добраться до точки X, когда открыта левая щель. Он может также добраться до X и через открытую правую щель. Здравый смысл подсказывает, что если открыты обе щели, то вероятность, что фотон доберётся до X, увеличится. Но нет – независимо от того, как долго мы будем ждать, в точке X не появится ни одного фотона. Откуда фотон, проходя через левую щель, знает, открыта или закрыта при этом правая? Физики иногда описывают этот своеобразный эффект так, будто фотон не проходит через каждую из щелей, но вместо этого «чувствует» оба пути и «вычисляет» их вклад в конечный результат. Облегчает или нет такое представление понимание явления, интерференция всё равно остаётся очень странным феноменом. Однако вы привыкаете к странностям квантовой механики, если работаете с ней сорок или более лет. Но каждый раз, отвлекаясь, чтобы отрефлексировать её, вы понимаете, что всё это очень и очень странно!
Элементарные частицы
Природа выглядит организованной иерархически: большие вещи состоят из более мелких, которые, в свою очередь, состоят из ещё более мелких, и т. д., пока мы не достигаем предела разрешения наших измерительных приборов. Обычный мир полон подобными иерархиями. Автомобиль – не что иное, как набор составляющих его частей: колёс, двигателя, карбюратора и т. п. Карбюратор, в свою очередь, состоит из более мелких деталей, таких как винты регулировки холостого хода, дроссельные заслонки, форсунки и пружинки. Наш опыт подсказывает, что свойства более мелких вещей определяют поведение более крупных. Философский подход, декларирующий, что целое есть сумма составляющих его частей и что природу можно понять, разлагая её на более простые составляющие, носит название редукционизм.
Во многих академических кругах слово «редукционизм» является ругательным. Редукционизм разжигает в научных кругах такие же мощные страсти, как эволюция в религиозных. Мысль о том, что всё сущее – лишь результат взаимодействия мёртвых частиц, рождает такое же неприятие, как мысль о том, что мы, люди, – всего лишь автомобили для наших самолюбивых генов. Так это или нет, но редукционизм реально работает. Любой автомеханик – редукционист, по крайней мере на работе. В науке[20 - Применим или нет редукционизм для исследования разума – вопрос спорный. С моей точки зрения, поведение живой материи подчиняется тем же Законам Физики, что и поведение неживой. Мне не известно ни одного доказательства обратного. С другой стороны, до сих пор никому не удалось полностью объяснить феномен сознания с позиций редукционизма.] сила редукционизма феноменальна. Основные законы биологии определяются химией органических молекул: ДНК, РНК и белков. Химики редуцируют сложные химические свойства молекул до простых свойств атомов, и на этом уровне эстафету у них уже перехватывают физики. Атом – это не что иное, как набор электронов, вращающихся вокруг ядра. Из курса физики элементарных частиц мы знаем, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Те в свою очередь состоят из кварков. Как долго ещё можно разбирать эту матрёшку? Кто знает… Физики XX века добились больших успехов, распространив редукционизм на уровень так называемых «элементарных частиц». Под Законами Физики я понимаю законы, управляющие этими мельчайшими строительными блоками. Очень важно разобраться с тем, что это за законы, прежде чем задаваться вопросом, почему эти законы именно такие.
Языком теоретической физики служат математические уравнения. В физике чрезвычайно сложно зачать новую теорию, иначе как написав для неё одно или несколько уравнений. Уравнения Ньютона, уравнения Максвелла, уравнения Эйнштейна, уравнение Шрёдингера являются важнейшими примерами этого. Математический каркас физики элементарных частиц называется квантовой теорией поля. Это сложный предмет, изобилующий весьма абстрактными уравнениями. Уравнения квантовой теории поля настолько сложны, что порой складывается впечат
Страница 18
ение, будто они не являются правильными – не может же правильная теория быть настолько сложной. К счастью для нас, великий Ричард Фейнман испытывал те же чувства, глядя на уравнения квантовой теории поля, и чтобы упростить понимание теории, он придумал изящный способ изображать эти уравнения в виде картинок. Метод Фейнмана настолько интуитивно понятен, что позволяет изложить основы квантовой теории поля без единого уравнения.Дик Фейнман был гением визуализации (что не мешало ему прекрасно разбираться и в уравнениях): он создавал мысленные иллюстрации для всего, над чем работал. В то время как иной физик исписывал всю доску формулами в попытке вывести какое-нибудь свойство элементарных частиц, Фейнману достаточно было нарисовать картинку, и ответ становился очевиден сам собой. Он был магом, клоуном и хвастуном, но придуманная им магия позволяла формулировать Законы Физики простым и понятным любому способом. Фейнмановские диаграммы – это буквально фотографии событий, которые происходят при перемещении частиц в пространстве, столкновениях и взаимодействиях. Фейнмановская диаграмма может содержать всего несколько линий, описывающих столкновение двух электронов, или, напротив, быть обширной сетью взаимосвязанных ветвлений, замкнутых траекторий, описывающей все частицы, составляющие кристалл алмаза, живое существо или астрономическое тело. Эти диаграммы могут быть редуцированы до нескольких основных элементов, в которых заключено всё, что нам известно об элементарных частицах. Разумеется, это больше, чем просто фотографии, – в реальности за каждой диаграммой стоят технические детали, описывающие, что делать дальше, чтобы выполнить точный расчёт, но это не столь важно. В нашем случае одна картинка стоит тысячи уравнений.
Квантовая электродинамика
Квантовая теории поля начинается с кастинга персонажей, а именно со списка элементарных частиц. В идеале список должен включать все элементарные частицы, но это непрактично: мы более чем уверены, что мы даже не знаем полного списка. Но составив неполный список, мы не слишком много потеряем. Это как в театральном представлении: в реальности каждый рассказ касается любого человека на земле, его прошлого и настоящего, но только сумасшедший драматург станет писать пьесу с несколькими миллиардами действующих лиц. Для каждой конкретной истории одни персонажи важнее других, и то же самое верно для физики элементарных частиц.
Авторская пьеса, сочинённая Фейнманом, называлась Квантовая электродинамика, или, для краткости, КЭД, и в ней было всего два действующих лица: электрон и фотон. Позвольте мне их представить.
Электрон
В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томпсон открыл первую элементарную частицу. Электричество уже было хорошо известно к тому моменту, но эксперименты Томпсона стали первыми, подтвердившими, что электрический ток представляет собой движение отдельных заряженных частиц. Этими движущимися частицами, питающими тостеры, лампочки и компьютеры, являются, конечно же, электроны.
Эффекты, создаваемые электронами, трудно превзойти по драматизму. Когда гигантские молнии прочерчивают небосвод, электроны перетекают из одного заряженного облака в другое. Раскаты грома порождаются ударной волной, возникающей в результате быстрого расширения воздуха, нагреваемого столкновениями электронов молнии с молекулами воздуха. Вспышка молнии – это электромагнитное излучение, порождённое ускоряющимися и тормозящимися электронами. Крошечные искры и треск, вызываемые статическим электричеством в сухой день, являются проявлениями тех же физических процессов, только в меньших масштабах. Даже обычная бытовая электроэнергия – это не что иное, как тот же поток электронов, прирученный и запертый в медных проводах.
Каждый электрон имеет точно такой же электрический заряд, как и другие электроны. Заряд электрона невероятно мал, необходимо огромное число электронов – около 10
в секунду, – чтобы создать ток в один ампер. Есть одна странность в величине заряда электрона, которая смущала многие поколения студентов, изучавших физику: заряд электрона отрицателен. Почему? Есть ли в электроне что-либо принципиально отрицательное? В действительности отрицательность заряда электрона не является каким-то особым свойством этой частицы, это всего лишь результат произвольного соглашения. История этого соглашения восходит к Бенджамину Франклину,[21 - Помимо авторства «Альманаха простака Ричарда» и «Декларации независимости», Бенджамин Франклин известен и как один из выдающихся учёных XVIII века.] который был первым физиком, предположившим, что электрический ток представляет собой поток заряженных частиц. Но Франклин ничего не знал об электронах и выбрал за направление электрического тока то, которое оказалось противоположным направлению движения электронов. В силу традиции остается таким же выбранное Франклином направление тока, а заряд электрона – отрицательным. Как следствие, мы, профессора физики, вынуждены постоянно напоминать студентам, что когда электрический
Страница 19
ок течёт слева направо, электроны движутся справа налево. Если это доставляет вам неудобства, вините во всём Бена Франклина.Если вдруг все электроны внезапно исчезнут, то это приведёт к гораздо более катастрофическим последствиям, чем неработающие тостеры, лампочки и компьютеры. Электроны играют в природе очень важную роль. Всё обычное вещество состоит из атомов, которые, в свою очередь состоят из электронов, вращающихся вокруг атомных ядер как раскидайчики на резинках. Атомные электроны определяют химические свойства всех элементов таблицы Менделеева. Квантовая электродинамика – это гораздо больше, чем теория электронов: она является основой для теории всей материи.
Фотон
Если электрон – это маркиз Карабас драмы КЭД, то фотон – несомненно, Кот в сапогах. Именно благодаря ему электрон добивается всех своих успехов. Процесс излучения света молнией можно разложить на микроскопические события, в которых отдельные электроны, ускоряясь или тормозясь, «стряхивают» с себя фотоны. Весь сюжет КЭД вертится вокруг одной основной репризы: излучения одиночных фотонов одиночными электронами.
Фотоны также играют незаменимую роль и в атоме. В определённом смысле, который станет вам понятен позднее, фотоны являются теми верёвками, тросами, которые притягивают электроны к ядру. Если бы фотоны были внезапно исключены из списка элементарных частиц, каждый атом мгновенно распался бы.
Ядра
Одна из главных целей создания КЭД состояла в объяснении некоторых свойств простых атомов, и в первую очередь атома водорода. Почему именно водорода? Атом водорода, имея всего один электрон, настолько прост, что уравнения квантовой механики могут быть решены для него аналитически. Для более сложных атомов с многими электронами, влияющими друг на друга, решения могут быть получены только с помощью мощных компьютеров, которых не существовало, когда создавалась КЭД. Но для изучения любого атома в список действующих лиц должен быть добавлен ещё один персонаж – ядро. Ядра состоят из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Эти две частицы очень похожи друг на друга, за исключением того, что нейтрон не имеет электрического заряда. Физики используют для этих двух частиц обобщающее название: нуклон. Ядро, по сути, является каплей слипшихся нуклонов. Структура любого ядра, даже ядра атома водорода, настолько сложна, что физики, подобные Фейнману, решили игнорировать её. Вместо этого они сосредоточились на гораздо более простой физике электрона и фотона. Но они не могли полностью исключить ядро из рассмотрения, поэтому ввели его в пьесу не как актёра, а как сценический подмосток. Это стало возможным по двум причинам.
Во-первых, ядро гораздо тяжелее электрона. Оно настолько тяжёлое, что почти неподвижно. Поэтому не будет большой ошибкой замена ядра на неподвижный точечный положительный заряд.
Во-вторых, ядро очень мало по сравнению с атомом. Электрон вращается вокруг ядра на расстоянии около 100 000 ядерных диаметров и никогда не подлетает настолько близко, чтобы затронуть сложную внутреннюю структуру ядра.
Согласно редукционистскому взгляду на физику элементарных частиц, все явления природы – свойства твёрдых тел, жидкостей, газов, живой и неживой материи – могут быть редуцированы до взаимодействий и столкновения электронов, фотонов и атомных ядер. А весь сюжет пьесы состоит в том, что актёры тут и там сталкиваются друг с другом, отскакивают друг от друга, рождая в ходе столкновений новых актёров. Именно эти процессы и изображаются на фейнмановских диаграммах.
Фейнмановские диаграммы
Подъехав к развилке на дороге, следуйте по ней.
Йоги Берра[22 - Йоги Берра – американский бейсболист. Цитируемую в эпиграфе фразу Берра произнёс, объясняя, как доехать до его дома. На дороге есть развилка, и какой бы путь вы ни выбрали, вы приедете к его дому. – Примеч. пер.]
Итак, у нас есть актёры, у нас есть пьеса, и теперь нам нужна сцена. Шекспир сказал: «Весь мир – театр», и, как всегда, бард имел на это право. Сцена для нашего фарса – это весь мир, что для физика означает «всё обычное трёхмерное пространство». Верх-низ, восток-запад и север-юг – вот три направления, которые мы можем задать вблизи поверхности Земли. Но классическая драма предполагает не только единство действия, но и единство времени. Таким образом, нам необходимо четвёртое направление: прошлое-будущее, образующее вместе с тремя пространственными направлениями пространство-время. С тех пор как Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, физики взяли за правило изображать мир как четырёхмерное пространство-время, охватывающее не только «сейчас», но и всё прошлое и будущее. Точка в пространстве-времени – «где и когда» – называется событием.
Для представления пространства-времени можно использовать лист бумаги или меловую доску. Поскольку бумага или доска имеет только два измерения, нам придётся немного «похимичить». Нарисованная на бумаге горизонтальная ось будет изображать сразу все три
Страница 20
пространственных направления. Напрягите своё воображение и представьте себе, что горизонтальная ось – это на самом деле не одна, а три перпендикулярные оси. Такой трюк оставляет нам вертикальное направление для представления времени. Будущее обычно принято изображать вверху, а прошлое – внизу (это, конечно, не более чем произвольное соглашение, подобное традиции изображать на географических картах Северное полушарие вверху, а Южное – внизу). Точка на листе бумаги изображает событие – где и когда. Это то, с чего начал Фейнман: частицы, пространство-время и события.Наша первая фейнмановская диаграмма изображает самый простой случай: «электрон движется из точки a в точку b». Чтобы представить это графически, нарисуем на листе бумаги линию, соединяющую событие a и событие b. Фейнман даже рисовал на линии маленькую стрелку, назначение которой скоро станет понятным. Линия, соединяющая a и b, называется пропагатором.
Пропогатор электрона
Фотон тоже может перемещаться из одной точки пространства-времени в другую. Фейнман изображал движение фотона другой линией, или пропагатором. Иногда пропагатор фотона изображается волнистой линией, а иногда – пунктирной. Я буду использовать пунктирную линию.
Пропагаторы – это больше, чем просто картинки. Они являются квантово-механическими инструкциями для расчёта вероятности того, что частица, побывав в точке a, окажется позже в точке b. Фейнману принадлежит радикальная идея, что частица не просто движется по кратчайшему пути из a в b, а странным образом чувствует все возможные маршруты, включая случайные зигзагообразные блуждания. Мы уже столкнулись с этой квантовой странностью в эксперименте с двумя щелями. Фотоны не просто проходят через левую или правую щель: они каким-то образом ухитряются попробовать оба пути и на основе этих проб создают ту самую удивительную интерференционную картину, которую мы наблюдаем. Согласно теории Фейнмана, все возможные пути вносят вклад в вероятность перехода частицы из точки a в точку b. На конечном этапе пишется особое математическое выражение, представляющее все возможные пути между двумя точками, которое и даёт нам искомую вероятность. Вот всё это и составляет концепцию пропагатора.
Пропогатор фотона
Если бы в природе происходили только свободные движения электронов и фотонов, то в мире никогда бы не случалось ничего интересного. Но существует один процесс, в котором принимают участие электроны и фотоны и который в конечном счёте отвечает за все интересное. Вспомним, что происходит, когда электроны перемещаются из одного грозового облака в другое. Внезапно ночь превращается в день. Свет, излучаемый внезапным мощным электрическим разрядом, на мгновение ярко освещает небо. Откуда берётся этот свет? Ответ кроется в поведении отдельных электронов. Когда движение электрона внезапно прекращается, он может в ответ стряхнуть с себя фотон. Процесс, называемый излучением фотона, является основным событием квантовой электродинамики. Подобно тому как вещество строится из частиц, все процессы строятся из элементарных событий излучения и поглощения. Так, электрон, двигаясь в пространстве-времени, может внезапно испустить квант света. Весь видимый свет, а также радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучение – всё состоит из фотонов, которые были испущены электронами либо на Солнце, либо в нити накала лампочки, либо в радиоантенне, либо в рентгеновском аппарате. Таким образом, Фейнман добавляет к списку элементарных частиц второй список: список элементарных событий. И мы приходим ко второму виду фейнмановских диаграмм.
Фейнмановская диаграмма, соответствующая событию излучения фотона, называется вершинной диаграммой. Вершинная диаграмма выглядит как буква Y или как развилка дороги: электрон доходит до развилки и излучает фотон, после чего электрон отправляется по одной дороге, а фотон – по другой. Точка, в которой соединяются все три линии – событие излучения фотона, – называется вершиной.
Есть способ превратить фейнмановскую диаграмму в короткий фильм. Вырежьте из картона квадрат со стороной около 10 см и прорежьте в нём щель шириной около 2 мм. Теперь положите квадрат на рисунок фейнмановской диаграммы так, чтобы щель располагалась горизонтально. Двигая квадрат по рисунку снизу-вверх, вы увидите часть линии сквозь щель – это будет наш электрон. По достижении вершины электрон испустит фотон, и они начнут разлетаться в разные стороны. Двигая эту картонку над рисунком любой диаграммы, вы сможете наблюдать сквозь щель, как частицы движутся, сталкиваются, испускают и поглощают другие частицы, словом, делают всё то, что обычно положено делать элементарным частицам.
Если перевернуть вершинную диаграмму вверх ногами (но прошлое по-прежнему оставить внизу, а будущее вверху), то она будет описывать процесс сближения электрона и фотона и последующего поглощения фотона электроном.
Антивещество
Рисуя маленькую стрелку на пропагаторе электр
Страница 21
на, Фейнман имел в виду вполне определённую цель. Каждый тип электрически заряженной частицы, будь то электрон или протон, имеет частицу-близнеца, а именно античастицу. Античастица во всём похожа на свою частицу-близнеца, за одним исключением: она имеет противоположный электрический заряд. Когда вещество встречается с антивеществом, берегись! Частица и античастица, объединяясь, исчезают (взаимоуничтожаются), высвобождая энергию в виде фотонов.Античастица, парная электрону, называется позитроном. Казалось бы, следует расширить наш список частиц, добавив в него античастицы, но, согласно Фейнману, позитрон в действительности не является новым объектом. Он представляется как электрон, движущийся назад во времени! Пропагатор позитрона выглядит точно так же, как и пропагатор электрона, за исключением того, что стрелка на нём указывает в противоположную сторону: из будущего в прошлое.
Представлять позитрон как электрон, движущийся назад во времени, или электрон как позитрон, движущийся назад во времени, – зависит от вас. Это совершенно произвольное соглашение. Но в этом представлении можно интерпретировать вершинную диаграмму новым способом: например, считать, что она изображает позитрон, излучающий фотон.
Можно даже повернуть диаграмму на 90°, и тогда она будет изображать процесс аннигиляции электрона и позитрона, в ходе которого остаётся один фотон…
…или фотон, распадающийся на электрон и позитрон.
Комбинируя основные ингредиенты, пропагаторы и вершины, можно построить более сложные процессы. Вот, например, один из интересных вариантов.
Как бы вы интерпретировали эту диаграмму? Если взять картонку с прорезанной в ней щелью и начать двигать её над диаграммой снизу вверх, то мы увидим сначала электрон и фотон; затем фотон внезапно распадается на электрон и позитрон; позитрон сближается с первым электроном, и они аннигилируют, образуя фотон. В конечном итоге мы снова имеем один электрон и один фотон.
Фейнман предложил другой способ интерпретации этой диаграммы. С его точки зрения, электрон поворачивает вспять во времени, излучая фотон, затем движется в прошлое, поглощает фотон и снова поворачивает во времени в будущее. Оба способа интерпретации – позитроны и электроны либо электроны, движущиеся вспять во времени, – полностью эквивалентны. Вершины и пропагаторы: вот и всё, что есть в мире. Эти основные элементы могут быть скомбинированы бесконечным числом различных способов, позволяющих описать всю природу.
Но не упустили ли мы что-либо существенное? Объекты в природе действуют друг на друга посредством сил. Идея силы глубоко интуитивна – это одна из немногих физических сущностей, для понимания которых нет нужды обращаться к учебнику физики. Толкая камень, человек прикладывает к нему силу. Камень сопротивляется человеку, действуя на него с противоположной силой. Сила гравитационного притяжения удерживает нас на поверхности Земли, не давая улететь прочь. Сила магнита притягивает кусок железа. Сила статического электричества притягивает кусочки бумаги. Хулиганы сильнее ботаников. Идея силы является настолько основополагающей для нашей жизни, что эволюция, видимо, запрограммировала понятие силы в наших головах на уровне нейронных цепей. Но гораздо менее интуитивно понятным является тот факт, что все силы растут из притяжения и отталкивания между элементарными частицами.
Добавил ли Фейнман ещё один набор ингредиентов к своему рецепту: определённые правила для сил, действующих между частицами? Нет.
Все силы в природе появляются из так называемых обменных диаграмм, в которых фотон, испускаемый одной частицей, поглощается другой. Например, электрические силы, действующие между электронами, описываются фейнмановской диаграммой, в которой один электрон испускает фотон, который впоследствии поглощается другим электроном.
Обмен фотоном порождает электрическое отталкивание между электронами
Фотон, движущийся через пространство между электронами, порождает действующие между ними электрические и магнитные силы. Если электроны покоятся, то силы между ними чисто электростатические[23 - Электростатические силы часто называют кулоновскими.] и быстро уменьшаются с увеличением расстояния между зарядами по закону обратных квадратов. При движении электронов к электростатическим силам добавляются магнитные. И магнитные и электростатические силы выводятся из одних и тех же фейнмановских диаграмм.
Электроны не единственные частицы, которые могут излучать фотоны. На это способна любая электрически заряженная частица, в том числе и протон. Это означает, что фотонами могут обмениваться два протона или протон и электрон. Данный факт имеет огромное значение для науки и жизни в целом. Постоянный обмен фотонами между ядром и атомными электронами порождает силу, удерживающую атом от разрушения. Без этих снующих туда-сюда фотонов атомы разлетятся на составные частицы и всё вещество прекратит своё существование.
Чрезвычайно з
Страница 22
путанные фейнмановские диаграммы – сеть вершин и пропагаторов – могут представлять сложные процессы с участием любого числа частиц. Таким образом, теория Фейнмана описывает всё вещество, от самых простых до самых сложных объектов.Попробуйте различными способами подобавлять стрелки к пропагаторам на этой картине, превращая сплошные линии в электроны или позитроны.
Постоянная тонкой структуры
Различные уравнения и физические формулы содержат целый ряд различных числовых констант. Некоторые из этих констант представляют собой числа, заимствованные из чистой математики. Пример: число 3,14159…, более известное под своим греческим именем ?. Мы знаем значение ? до миллиардов десятичных знаков, причём не измеряя его, а вычисляя на основе чисто математического определения: ? – это отношение длины окружности к диаметру. Другие математические числа, такие как квадратный корень из двух и число, обозначаемое буквой e, тоже могут быть вычислены с бесконечной точностью, если только кто-нибудь захочет это сделать.
Но в физических формулах присутствуют и другие числа, которые не имеют специфического математического происхождения. Их можно назвать эмпирическими числами. Например, в ядерной физике используется очень важное соотношение между массой протона и массой нейтрона. Его численное значение известно до семи десятичных знаков: 1,001378. На сегодняшний день не известно способа вычислить следующие десятичные знаки чисто математическим путём. Необходимо отправиться в лабораторию и измерить их. Наиболее фундаментальные из этих эмпирических чисел удостоены звания «мировых констант». Постоянная тонкой структуры[24 - Термин «тонкая структура» принесли в физику оптики, изучавшие детали спектра атома водорода. Впервые постоянная тонкой структуры появилась в теории, описывавшей этот спектр.] – одна из таких мировых констант. Подобно ?, постоянная тонкой структуры обозначается греческой буквой ? (альфа). В популярной литературе часто приводится её приближённое значение 1/137. Её наиболее точное значение известно до одиннадцатого знака после запятой: 0,00729735257, и это одна из наиболее точно измеренных физических констант.
Постоянная тонкой структуры является примером величины, которые физики называют константами связи. Каждая константа связи ассоциирована в квантовой теории поля с одним из базисных событий, с определённым типом вершины на фейнмановской диаграмме. Константа связи является мерой силы или интенсивности взаимодействия, представленного вершиной соответствующего типа. В квантовой электродинамике основной тип вершин соответствует излучению фотона электроном. Рассмотрим более подробно, что происходит при излучении фотона.
Можно начать с вопроса: что определяет конкретную точку, в которой электрон, двигаясь в пространстве-времени, испускает фотон? Ответ заключается в том, что ничто не определяет, – физика на микроуровне непредсказуема. Природа содержит элемент случайности, который буквально сводил с ума Эйнштейна в его последние годы. «Бог не играет в кости!» – протестовал Эйнштейн.[25 - В ответ на это Бор возражал: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что делать».] Но независимо от того, нравилось ли это Эйнштейну, природа не является детерминированной. В природе, как я уже сказал, есть элемент случайности, который встроен в Законы Физики на самом глубоком уровне, и даже Эйнштейн ничего не мог с этим поделать. Но то, что природа не является детерминированной, вовсе не означает, что она полностью хаотична. Вот тут и выступают на сцену принципы квантовой механики. В отличие от ньютоновской физики, квантовая механика никогда не предсказывает будущее на основании информации о прошлом. Вместо этого она предоставляет очень точные правила для вычисления вероятности различных альтернативных результатов эксперимента. Нет никакой возможности предсказать окончательное местоположение фотона, который прошёл через щель, равно как не существует никакой возможности точно предсказать, в каком месте своей траектории электрон испустит фотон или в каком месте другой электрон сможет его поглотить. Но существует определённая вероятность для этих событий.
Хорошей иллюстрацией такой вероятности служит работа электронно-лучевой трубки старого телевизора. Свет, исходящий от телевизионного экрана, состоит из фотонов, рождаемых врезающимися в экран электронами. Электроны испускаются электронной пушкой в задней части кинескопа и направляются к экрану электрическими и магнитными полями. Но не каждый электрон, врезающийся в экран, излучает фотон. Некоторые излучают, а большинство – нет. Грубо говоря, вероятность того, что конкретный электрон испустит квант света, даётся постоянной тонкой структуры ?. Другими словами, только один из 137 электронов испускает фотон. Это означает, что ? – это вероятность того, что электрон, двигаясь вдоль своей траектории, соблаговолит излучить фотон.
Фейнман не просто рисовал картинки. Он изобрёл набор правил для расчёта вероятностей сложных процессов, изображённых на этих картинк
Страница 23
х. Иными словами, он изобрёл точный математический аппарат, который предсказывает вероятность любого процесса в терминах простейших событий: пропагаторов и вершин. В конечном итоге вероятности всех процессов в природе сводятся к константам связи, подобных ?.Постоянная тонкой структуры также управляет интенсивностью процессов, представленных обменной диаграммой, которая, в свою очередь, определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами. Она определяет, насколько сильно атомное ядро притягивает к себе электроны. Как следствие, она определяет размер атома и скорости, с которыми электроны движутся по своим орбитам, и в конечном итоге она управляет силами, действующими между различными атомами, которые позволяют им соединяться в молекулы. Но самое важное то, что мы не знаем, почему она имеет значение 0,00729735257, а не какое-то другое. Законы Физики, обнаруженные в XX веке, оказались очень точными и полезными, но происхождение этих законов остаётся загадкой.
Теория этого упрощённого мира электронов, фотонов и точечных ядер и есть квантовая электродинамика, и её фейнмановская версия оказалась невероятно успешной. С помощью разработанных Фейнманом методов свойства фотонов, электронов и позитронов были описаны с удивительной точностью. Кроме того, если в теорию добавить упрощённый вариант ядра, то с такой же невероятной точностью удаётся описать и свойства простейшего атома – атома водорода. В 1965 году Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и японский физик Син-Итиро Томонага получили за работы по квантовой электродинамике Нобелевскую премию.
Конец первого акта.
Если в первом акте театральное действие ограничивалось только двумя персонажами, то во втором акте разворачивается на сцене эпическое полотно с сотнями актёров. Новые частицы, обнаруженные в 1950-х и 1960-х годах, пополнили ряды неуправляемой театральной массовки и на сцене, помимо электронов и фотонов, появились нейтрино, мюоны, тау-лептоны, u-кварки, d-кварки, странные кварки, очарованные кварки, b-кварки, t-кварки, глюоны, W- и Z-бозоны, бозоны Хиггса и другие действующие лица. Никогда не верьте тому, кто говорит, что физика элементарных частиц элегантна. Эта сборная солянка названий частиц отражает такое же нагромождение масс, электрических зарядов, спинов и других свойств. Но, несмотря на обилие и разнообразие действующих лиц, мы знаем, как описать их поведение с огромной точностью. «Стандартная модель» – это название математической конструкции (особого варианта квантовой теории поля), которая лежит в основе современной теории элементарных частиц. Хотя она гораздо сложнее квантовой электродинамики, фейнмановские методы настолько мощные, что и в этот раз они позволяют выразить всё в виде простых картинок. Принципы точно такие же, как в КЭД: всё построено из пропагаторов, вершин и констант связи. Но есть новые актёры и совершенно новые сюжетные линии, одна из которых называется КХД.
Квантовая хромодинамика
Много лет назад я был приглашён в один знаменитый университет прочитать серию лекций на модную тему, называемую квантовой хромодинамикой. Проходя коридорами физического университета, я услышал, как пара студентов обсуждала название моей лекции. Один, рассматривая объявление о лекции на информационном стенде, спросил: «И о чём это всё? Что такое квантовая хромодинамика?» Второй, подумав и почесав в затылке, ответил: «Хм… это, должно быть, новый способ использования квантовой механики для обработки фотографий».
Квантовая хромодинамика (КХД) не имеет дела ни с фотографией, ни даже со светом. КХД – это современная версия ядерной физики. Обычная ядерная физика начиналась с протонов и нейтронов (нуклонов), но КХД шагнула гораздо глубже. Вот уже более сорока лет известно, что нуклоны не являются элементарными частицами, они скорее похожи на атомы или молекулы, только в гораздо меньших масштабах. Если бы мы смогли заглянуть внутрь протона при помощи чрезвычайно мощного микроскопа, то увидели бы, что он состоит из трёх кварков, связанных друг с другом струнами частиц, называемых глюонами. Теория кварков и глюонов – КХД – это более сложная теория, чем КЭД, и я не в состоянии описать её на нескольких страницах. Но основные факты не слишком сложны. Вот список её действующих лиц.
Шесть кварков
Во-первых – кварки. Существует шесть типов кварков. Для того чтобы отличить одни кварки от других, физики дали им причудливые имена: «u-кварк», «d-кварк», «странный кварк», «очарованный кварк», «b-кварк» и «t-кварк»,[26 - В английском языке буквы, обозначающие кварки, соответствуют английским словам: up, down, strange, charm, bottom и top, но поскольку на русский язык слова up и top переводятся одинаково, как «верхний», равно как и down и bottom – как «нижний», то во избежание путаницы в русскоязычной литературе принято все кварки, кроме, быть может, странного и очарованного, обозначать латинскими буквами. – Примеч. пер.] или более лаконично, u-, d-, s-, c-, b- и t-кварки. Разумеется, нет ничего странного в странн
Страница 24
м кварке и очарованный кварк ничем не очарован, но глупые имена придают им немного индивидуальности.Почему существуют шесть типов кварков, а не четыре или два? Да кто ж его знает! Теория с четырьмя или двумя типами кварков принципиально ничем не отличается от теории с шестью типами. Всё, что мы знаем, – это то, что математика стандартной модели требует, чтобы кварки входили в неё парами: u-кварк с d-кварком, очарованный со странным и t-кварк с b-кварком. Но причина тройной репликации простейшей теории с одним «верхним» и одним «нижним» кварком остаётся тайной. Хуже того: только u- и d-кварки играют существенную роль в обычных ядрах.[27 - Существование странного кварка оказывает незначительное влияние на свойства нуклонов, но остальные кварки не вносят никакого вклада.] Если бы КХД была инженерным проектом, то присутствие в ней остальных кварков могло бы рассматриваться как экстравагантное разбазаривание ресурсов.
Кварки в некотором смысле похожи на электроны; они несколько тяжелее и имеют своеобразные электрические заряды. В качестве единицы электрического заряда в микромире обычно принимается заряд протона, которому приписывается значение +1. Заряд электрона равен заряду протона и противоположен по знаку: –1. Электрические заряды в этой системе единиц оказываются дробными. Например, «верхние» – u-, c-, и t-кварки – несут положительный заряд, равный двум третям заряда протона: +2/3. «Нижние» – d-, s- и b-кварки – имеют отрицательный заряд, равный одной трети заряда электрона: ?1/3.
Протоны и нейтроны состоят каждый из трёх кварков. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Сложив электрические заряды кварков, мы получим электрический заряд протона:
2/3 + 2/3 – 1/3 = 1.
Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков. Аналогичным образом сложив заряды этих кварков, мы получим заряд нейтрона:
2/3 – 1/3 – 1/3 = 0.
Что произойдет, если мы попытаемся построить протон или что-то вроде протона, заменив d-кварк s-кварком? Такие объекты существуют – их называют странными частицами, но они не встречаются нигде, кроме физических лабораторий. И даже в лабораториях странные частицы – всего лишь мимолетные явления, они существуют краткий миг, прежде чем распасться на другие частицы. То же верно и в отношении частиц, содержащих очарованные кварки, t-кварки и b-кварки. Только из u-кварков и d-кварков могут быть собраны стабильные или долгоживущие объекты. Как я уже сказал, если странный, очарованный, b- и t-кварк внезапно будут удалены из списка элементарных частиц, вряд ли кто-нибудь это заметит.
А что относительно кварков, перемещающихся вспять во времени? Как и электрон, каждый кварк имеет свою античастицу. Антикварки могут быть собраны в антипротоны и антинейтроны. Когда-то, в самом начале истории Вселенной, когда температуры достигали миллиардов градусов, антинуклоны были столь же обильны, как обычные нуклоны. Но по мере охлаждения Вселенной античастицы почти полностью исчезли, оставив в мире только обычные протоны и нейтроны в атомных ядрах.
Глюон
Нуклоны подобны крошечным атомам, состоящим из кварков. Но сами по себе кварки не способны связать себя в нуклоны. Как и в случае атома, тут требуется еще один ингредиент для создания силы притяжения, «склеивающей» кварки вместе. В случае атома мы точно знаем, что представляет собой этот клей. Атом связывается в единое целое благодаря непрерывно летающим взад-вперед фотонам, обеспечивающим взаимодействие между электронами и ядрами. Но силы, генерируемые фотонным обменом, слишком слабы, чтобы связать кварки в плотную структуру нуклона – не забывайте, что нуклоны в 100 000 раз меньше атомов. Значит, нам нужна ещё одна частица, обеспечивающая более сильное взаимодействие, способное удержать кварки на столь малом расстоянии. Это частица очень метко названа глюоном.[28 - Название «глюон» происходит от английского слова glue – клей. – Примеч. пер.]
Основные события в любой квантовой теории поля всегда одни и те же: испускание одними частицами других. Фейнмановские диаграммы, описывающие эти события, всегда имеют форму вершинной диаграммы в виде буквы Y. Основные вершинные диаграммы для КХД выглядят точно так же, как вершинная диаграмма испускания фотонов, только с заменой электрона на кварк, а фотона на глюон.
Неудивительно, что источником сил, связывающих кварки в протонах и нейтронах, является обмен глюонами. Но есть два существенных различия между КЭД и КХД. Первое различие – количественное. Числовая константа, ответственная за эмиссию глюонов, не так мала, как постоянная тонкой структуры. Эта константа называется ?
(альфа-КХД), и она примерно в 100 раз больше, чем постоянная тонкой структуры, это является причиной того, что силы, действующие между кварками, гораздо сильнее электромагнитных. Поэтому КХД иногда называют теорией сильных взаимодействий.
Второе отличие – качественное. Глюоны ведут себя как клей, что всегда напоминает мне одну из сказок дядюшки Римуса: «Однажды Братец Крол
Страница 25
к увидел на дороге смоляное чучело. Братец Кролик сказал: “Доброе утро”, но чучело ничего ему не ответило. Тогда Братец Кролик решил проучить чучело. Он ударил его кулаком, и кулак прилип к смоле. Тогда Братец Кролик боднул чучело головой, и голова тоже прилипла к смоле. Братец Кролик изо всех сил пытался освободиться, но смола просто растягивалась и тащила его лапы и голову обратно. Так он безуспешно боролся с “притяжением” смоляного чучела, пока его не выручил проходивший мимо Братец Медведь».При чём здесь эта детская история? При том, что кварки являются миниатюрными смоляными чучелами для других кварков. Они крепко склеены друг с другом похожим на липкую смолу веществом, состоящим из глюонов. Ответственной за это странное поведение является одна из дополнительных вершин, не имеющая аналогов в КЭД. Любая электрически заряженная частица может испустить фотон. Но фотоны не взаимодействуют друг с другом. Они являются электрически нейтральными и поэтому не излучают другие фотоны. В этом отношении глюоны резко отличаются от фотонов. Законы КХД требуют существования вершин, в которых глюон распадается на два глюона, и каждый из них движется по собственному пути после развилки.
Эти различия между КХД и КЭД делают КХД гораздо более сложной теорией, чем её электрический аналог. Среди прочего это означает, что глюоны могут обмениваться глюонами и связываться в объекты, называемые глюболами, – это частицы, не содержащие кварков и электронов. Более того, глюоны не обязаны собираться исключительно в пары, они могут образовывать длинные цепочки тягучего клея. Ранее я сравнил электроны в атоме с шариками, болтающимися на верёвочках. Верёвочки в моём сравнении были метафорой, но в случае кварков струны, держащие их вместе, вполне реальны. Они представляют собой глюонные струны, натянутые между кварками. В том случае, если кварк под действием внешнего воздействия вылетает из нуклона, за ним тянется длинная глюонная струна, которая в конечном итоге возвращает его обратно.
Слабое взаимодействие
Если вы уже устали от изучения физики элементарных частиц, это нормально. В ней слишком много сложных вещей, которые необходимо запоминать. У нас слишком много частиц, поведение которых требует описания, и нет никаких разумных предположений, откуда они все взялись. Квантовой хромодинамикой и квантовой электродинамикой вряд ли исчерпываются все части, которые составляют Стандартную модель. Всё это очень далеко от элегантной и простой физической теории, которую мы ожидали обнаружить «в основании всего». Физика элементарных частиц оказалась больше похожей на зоологию и ботанику, чем на точную науку. Но это, увы, факт, и мы не можем изменять факты.
Сейчас я расскажу ещё об одной части Стандартной модели. Эта часть известна как слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие, подобно электромагнитному и сильному, играет важную роль в объяснении нашего собственного существования, хотя причины, по которым оно так важно, на первый взгляд не очевидны, мы вернёмся к ним в последующих главах.
История слабого взаимодействия снова возвращает нас в конец XIX века, когда французский физик Антуан Анри Беккерель открыл радиоактивность. Открытие Беккереля всего на один год опередило обнаружение электрона Дж. Дж. Томсоном.
Радиоактивность принято делить на три различных типа: альфа, бета и гамма. Они соответствуют трём очень разным явлениям, только одно из которых (бета-распад) связано со слабым взаимодействием. Сегодня мы знаем, что бета-лучи из уранового образца Беккереля были на самом деле электронами, испускаемыми нейтронами ядер урана. После испускания электрона нейтрон немедленно превращается в протон.
Ни в КЭД, ни КХД нет ничего, что могло бы объяснить, как нейтрон может испустить электрон и стать протоном. Самое простое обоснование, которое, возможно, уже пришло вам в голову, – это добавить на диаграмму дополнительные вершины и включить их в наш список основных событий. В вершину будет входить исходный нейтрон, а после развилки – расходиться каждый своей дорогой протон и электрон. Но это неверное описание. Дело в том, что в этот момент на сцене появляется новый персонаж – нейтрино. Беккерель не знал, что при распаде нейтрона помимо электрона и протона появляется ещё одна частица, точнее, античастица – призрачное антинейтрино.
Нейтрино
Нейтрино похоже на электрон, но оно не имеет электрического заряда. Представьте себе, что это электрон, который потерял свои электрические свойства. В некотором смысле отношение между электроном и нейтрино аналогично отношению между протоном и нейтроном.
Что же тогда остаётся в нейтрино от электрона? Нейтрино имеет небольшую массу и… собственно, всё. Оно не излучает фотонов. Оно не испускает глюонов. Это означает, что оно не участвует ни в одном из взаимодействий, в которых участвуют электрически заряженные частицы или кварки. Нейтрино не образует сложных объектов, связываясь с другими нейтрино или частицами. Оно вообще ничего не делает. Фактически нейт
Страница 26
ино является одиночкой, оно способно пролететь сквозь свинцовую стену толщиной в несколько световых лет как сквозь пустое пространство. Но нейтрино не полный ноль. Чтобы понять, как нейтрино участвует в нашей пьесе, следует ввести в спектакль ещё одного актёра – W-бозон.W-бозон
Не беспокойтесь относительно значения слова «бозон». Оно просто обозначает другую частицу, аналогичную по своим свойствам фотону или глюону, но имеющую электрический заряд. W-бозон появляется в двух амплуа: положительно заряженный W-бозон и отрицательно заряженный W-бозон. Как вы догадались, они являются античастицами друг друга.
W-бозон является ключом к деятельности нейтрино. Не только кварки и электроны могут испускать W-бозоны – нейтрино тоже на это способны. Вот неполный список дел W-бозонов:
• электрон, испуская W-бозон, превращается в нейтрино;
• u-кварк, испуская W-бозон, превращается в d-кварк;
• u-кварк, испуская W-бозон, превращается в s-кварк;
• c-кварк, испуская W-бозон, превращается в s-кварк;
• t-кварк, испуская W-бозон, превращается в b-кварк;
• бозон Хиггса испускает Z-бозон…
Список можно продолжать, но он включает в себя частицы, с которыми мы познакомимся только в следующих главах.
Как я уже говорил, протоны и нейтроны не попадают в список элементарных частиц потому, что они состоят из кварков, но иногда полезно забыть о кварках и представлять нуклоны как элементарные частицы. Это потребует от нас добавить некоторые дополнительные вершины. Например, протон может испускать фотон. В действительности фотон испускает один из составляющих протон кварков, но внешне всё выглядит так, как будто это сделал протон. Аналогичным образом один из двух d-кварков внутри нейтрона может испустить W-бозон и превратиться в u-кварк, обусловив таким образом превращение нейтрона в протон. Этот процесс будет описываться вершиной, в которой нейтрон становится протоном, испуская W-бозон.
Теперь мы готовы рисовать диаграммы Фейнмана, объясняющие бета-излучение, которое обнаружил Беккерель, изучая соли урана. Диаграмма будет выглядеть практически так же, как КЭД-диаграмма, за исключением того, что в том месте, где на диаграмме КЭД должен быть обмен фотонами, у нас будет обмен W-бозонами. В действительности слабое взаимодействие очень тесно связано с электромагнитным за счёт фотонов.
Возьмите картонку с прорезанной в ней щелью, начните перемещать её над диаграммой снизу вверх. Нейтрон (который может находиться внутри ядра) испускает отрицательно заряженный W-бозон и превращается в протон. W-бозон пролетает очень малое расстояние (около 10
см) и распадается на две частицы: электрон и движущееся вспять во времени нейтрино, или, на светском языке, антинейтрино. Вот что мог бы увидеть Беккерель в 1896 году, если бы имел очень мощный супермикроскоп. Позже мы увидим важность такого процесса в создании химических элементов, из которых мы состоим.
Законы Физики
Теперь, надеюсь, вы имеете чёткое представление о том, что я подразумеваю под Законами Физики. К сожалению, я не могу подобно некоторым физикам сказать вам, что эти законы элегантны. Правда состоит в том, что это не так. В этой картине слишком много частиц, слишком много вершин диаграмм и слишком много констант связи, а ведь я ещё не рассказал вам о случайном наборе масс, которыми обладают частицы. Все это образует очень неприятный коктейль, но есть одно «но»: эти законы описывают свойства элементарных частиц, ядер, атомов и молекул с невероятной точностью.
Однако цена, которую приходится платить, требует введения не менее 30 «физических констант»[29 - Это только необходимый минимум, не включающий числовые параметры, необходимые для космологии или некоторых расширений Стандартной модели. Если включить все дополнительные константы, то их число легко перевалит за сотню.] – масс и констант связи, значения которых не имеют иного обоснования, кроме того, что они «работают». Откуда берутся эти числа? Физики не в состоянии вывести эти числа ни из тонких материй, ни из математических вычислений. Они являются результатом многих лет экспериментальных исследований элементарных частиц на ускорителях в лабораториях многих стран. Многие из этих констант, как, например, постоянная тонкой структуры, были измерены с большой точностью, но в конечном итоге, как я уже сказал, мы не понимаем, почему они такие, какие есть.
Стандартная модель является кульминацией и квинтэссенцией более чем полувековой истории развития физики элементарных частиц. В сочетании с методом фейнмановских диаграмм она даёт точные описания всех явлений в физике элементарных частиц, включая способы объединения частиц в атомные ядра, атомы, молекулы, газы, жидкости и твёрдые тела. Но она слишком сложна, чтобы служить образцом простоты, которая, как мы надеемся, будет отличительной чертой действительно фундаментальной теории – окончательной теории природы.
В отличие от человеческих законов, Законы Физики являются безусловными законами. Мы можем соблюдать
Страница 27
акон или игнорировать его, но электрон не имеет такого выбора. Эти законы не похожи на правила дорожного движения или налоговое законодательство, которое меняется от штата к штату и от года к году. Возможно, самый важный экспериментальный факт, который вообще делает возможным изучение физики, состоит в том, что все мировые константы действительно являются константами. Эксперименты, поставленные в разное время в разных местах, описываются одними и теми же фейнмановскими диаграммами и дают одни и те же значения для каждой константы связи и массы. Когда постоянная тонкой структуры была измерена в Японии в 1990-х, она оказалась точно такой же, как и в Брукхейвенской лаборатории в Лонг-Айленде в 1950 году или в Стэнфордском университете в 1970 году.В самом деле, когда физики проводят космологические исследования, они принимают как должное, что законы природы одинаковы повсюду во Вселенной. Но законы не обязаны быть такими. Безусловно, можно представить себе мир, в котором постоянная тонкой структуры изменяется со временем или в котором отдельные константы варьируются от одного места к другому. Время от времени физики ставят под сомнение предположение, что константы абсолютно постоянны, но пока что у нас нет ни одного свидетельства того, что они не одинаковы в любой части наблюдаемой Вселенной: не во всём гигантском Мегаверсуме, а в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать при помощи различных типов телескопов, имеющихся в нашем распоряжении.
Когда-нибудь мы сможем достичь далёких галактик и измерить константы непосредственно на месте. Но даже сейчас мы постоянно получаем «сводки» из удалённых областей Вселенной. Астрономы ловят свет, приходящий от далёких источников, и распутывают спектральные линии, образующиеся при излучении или поглощении света далёкими атомами.[30 - Спектральные линии обсуждаются в главе 5.] Отношения между отдельными спектральными линиями весьма запутанны, но они всегда одинаковы, независимо от того, где и когда возник пойманный телескопом свет. Практически любое изменение в местных Законах Физики изменило бы детали спектра, так что у нас есть убедительное свидетельство, что правила одинаковы во всех частях наблюдаемой Вселенной.
Эти правила – список частиц, масс и констант связи, список фейнмановских правил – то, что я называю Законами Физики, – универсальны. Они управляют практически всеми аспектами физики, химии и, в конечном счёте, биологии, но они не объясняют сами себя. У нас нет теории, которая сказала бы нам, почему правильна именно Стандартная модель, а не что-то другое. Может быть, есть ещё и другие Законы Физики? Могут ли списки элементарных частиц, масс и констант связи отличаться от наших в тех частях Вселенной, которые мы не можем наблюдать? Могут ли Законы Физики далёкого прошлого отличаться от нынешних? Если да, то что управляет их изменением? Существуют ли более глубокие законы, определяющие, какие Законы Физики возможны, а какие нет? Таковы вопросы, стоящие перед фундаментальной физикой в начале XXI века. Ответам на эти вопросы и посвящён «Космический ландшафт».
Кое-что может вызвать у вас недоумение после прочтения этой главы. Я не раз упоминал, что наиболее важной силой во Вселенной является гравитация. Ньютон создал классическую теорию гравитации, которая носит его имя. Эйнштейн ещё глубже проник в природу гравитации в общей теории относительности. И, несмотря на то что законы гравитации гораздо важнее для определения судьбы Вселенной, чем все остальные, гравитация не является частью Стандартной модели. Причина такой дискриминации вовсе не в том, что тяготение не имеет значения. Напротив, из всех сил природы оно будет играть в этой книге самую большую роль. Причина отделения законов гравитации от других законов заключается в том, что отношение гравитации к микроскопическому миру квантово-механических элементарных частиц ещё никому не понятно. Фейнман пытался применить собственные методы к гравитации и с сожалением сдался. Более того, он как-то посоветовал мне никогда не заниматься этой темой. Пусть это печенье пока постоит в закрытой банке на верхней полке…
В следующей главе я расскажу вам о «матери всех физических проблем». Это мрачная сказка о том, как всё идёт наперекосяк при попытке совместить гравитацию с описанными выше Законами Физики. Это жестокий рассказ о крайних формах насилия над природой. Законы Физики в том виде, как мы их понимаем, готовят нам чрезвычайно смертоносную Вселенную. Очевидно, в супе чего-то не хватает.
Глава 2. Мать всех физических проблем
Нью-Йорк, 1967
Впервые я узнал о «матери всех физических проблем» в один погожий осенний день в Нью-Йорке в малоизвестном районе Вашингтон-Хайтс. Расположенный в трёх километрах к северу от Колумбийского университета, Вашингтон-Хайтс является частью Манхэттена, но во многих отношениях больше напоминает Южный Бронкс, где я вырос. Когда-то он был еврейским районом, где проживали представители среднего класса, но потом большинство евреев покинули его, и их сменили
Страница 28
атиноамериканцы, преимущественно кубинские рабочие. Этот большой район недорогих кубинских ресторанов был моим любимым кубинско-китайским местом.Люди, знакомые с этим районом, знают, что на Амстердам-авеню около 187-й стрит есть несколько необычных зданий в византийском стиле. Прилегающие улицы заполнены молодыми ортодоксальными еврейскими студентами и раввинами; местным студенческим кабаком служила в то время «фалафельная», известная под названием MacDovid's. Дома по нечётной стороне – это кампус Иешива-университета, старейшего еврейского высшего учебного заведения в Соединённых Штатах, специализирующегося на подготовке раввинов и талмудических учёных, но в 1967 году в его состав входила высшая физико-математическая школа Белфер.
Я только что пришёл в школу Белфер на должность ассистента профессора после года докторской работы в Беркли. Поскольку экзотические здания Иешивы ничем не напоминали кампусы Беркли или Гарварда или любые другие университетские кампусы, поиск физического факультета стал проблемой. Бородатый парень на улице указал на верхнюю часть одного из зданий, похожую на купол башни или маковку церкви. Всё это не выглядело многообещающим, но это была единственная работа, на которую я мог рассчитывать, поэтому я вошёл внутрь и поднялся по винтовой лестнице. Наверху обнаружилась открытая дверь в очень маленький тёмный офис, заполненный массивными книжными шкафами с большими томами в кожаных переплётах, все названия которых были написаны на иврите. В офисе сидел похожий на раввина седобородый джентльмен, читавший какой-то древний фолиант.
Табличка на офисе гласила:
Физический факультет
Профессор Познер
«Э… это физический факультет?» – спросил я, ничего не понимая. «Именно так, – ответил он, – и я профессор физики. А кто вы?»
«Я новый сотрудник, новый ассистент профессора – Сасскинд». Его лицо приобрело любезное, но крайне удивлённое выражение: «Ой-вей, они никогда не говорили мне ничего подобного. Что за новый сотрудник?» – «Могу я видеть декана?» – я начал терять терпение. «Я декан. А также единственный профессор физики, и я ничего не знаю ни о каких новых сотрудниках». Мне было 26 лет, у меня была жена и двое маленьких детей, и передо мной со всей отчётливостью замаячила перспектива остаться безработным.
В смущении и замешательстве я спустился вниз и, переходя улицу, вдруг увидел моего знакомого по колледжу Гэри Грубера: «Эй, Грубер, что здесь происходит? Я только что был на физическом факультете. Я был уверен, что там полно физиков, но там оказался только один старый раввин по фамилии Познер». Груберу моя фраза показалась очень забавной. Он засмеялся и сказал: «Я думаю, что ты, вероятно, попал в начальную школу, а не в высшую. Высшая – за углом на 184-й стрит. Я учусь там в аспирантуре». О, сладостное облегчение! Я прошёл к 184-й стрит и посмотрел в ту сторону, куда указал Грубер, но не увидел ничего, что могло бы напоминать высшую школу. Вдоль улицы тянулся ряд неприметного вида витрин. В одной из них рекламировались государственные облигации, другая была и вовсе пуста, а верхние этажи здания заколочены досками. Самый крупный магазин предлагал всё для бар-мицва и еврейских свадеб. Он выглядел давно заброшенным, но в нём ещё продавалось какое-то оборудование для приготовления кошерной пищи. Я прошёл мимо него, в недоумении развернулся и на обратном пути рядом с витриной увидел небольшую табличку:
Высшая школа Белфер.
Табличка указывала вверх на широкую лестницу. На ступенях лестницы лежал старый, изрядно потёртый ковёр, и запах еды с первого этажа поднимался по лестнице вверх. Место производило удручающее впечатление, но тем не менее я поднялся в большое помещение, напоминающее зал для свадебных торжеств и бар-мицвы, обставленное диванами и удобными стульями и, к моему огромному облегчению, – увешанное классными досками. Классные доски для меня означали физиков.
По периметру зала теснились около двадцати офисных клетушек. Вся школа размещалась в этом огромном зале. Было бы очень тяжело признать в ней физическую школу, если бы не несколько человек, которые вели разговор на физическую тему возле одной из досок. Более того, я узнал некоторых из них. Я увидел Дейва Финкельштейна, который нашёл для меня эту работу. Дэйв был блестящим харизматичным физиком-теоретиком, только что опубликовавшим статью о применении топологии в квантовой теории поля, которой суждено было стать классикой теоретической физики. Я также увидел П. А. М. Дирака, возможно, величайшего физика XX века после Эйнштейна. Дэйв представил меня Якиру Ааронову, соавтору открытия эффекта Ааронова – Бома. Он беседовал с Роджером Пенроузом, в настоящее время – сэром Роджером. Роджер и Дэйв были двумя пионерами в теории чёрных дыр. Я увидел открытую дверь с табличкой, гласившей: Джоэл Лейбовиц. Джоэл, известный специалист в области математической физики, спорил с Либом Эллиотом, имя которого мне также было известно. Это было сборище самых блестящих физиков, которых я когда-либо встречал, – и вс
Страница 29
в одном месте.Они рассуждали об энергии вакуума. Дейв утверждал, что вакуум заполнен энергией нулевых колебаний и что эта энергия оказывает эффект на гравитационные поля. Дираку не нравилась идея энергии вакуума, потому что она получалась бесконечной. Он считал, что если что-то в теории становится бесконечным, значит, математика такой теории ошибочна, и, следовательно, энергии вакуума не существует. Дэйв немедленно втянул меня в дискуссию, объяснив, как он пришёл к такому выводу. Этот спор стал для меня роковым – я озадачился проблемой, которая преследовала меня в течение последующих сорока лет и в конечном итоге привела к Космическому Ландшафту.
Худшее из когда-либо сделанных предсказаний
Часть нашего разума – я предлагаю называть её эго, – которая получает удовольствие от доказательства своей правоты, особенно хорошо развита у физиков-теоретиков. Создание теории некоторого явления с последующим расчётом, получающего позднее экспериментальное подтверждение, – это огромный источник удовлетворения. Иногда эксперимент проводится ещё до расчёта, и в этом случае теория не предсказывает, а скорее объясняет результат, но и это тоже неплохо. Даже очень хорошие физики делали в прошлом и делают сейчас неправильные предсказания. Мы склонны забывать о них, но есть одно неправильное предсказание, которое никуда не делось. На сегодняшний день – это худший расчёт, который когда-либо делал кто-либо из физиков. Неправильность этой работы была настолько очевидна, что даже не требовалось эксперимента, чтобы доказать её ошибочность. И самое страшное, что этот неправильный результат, как нам представляется, является неизбежным следствием нашей лучшей теории – квантовой теории поля.
Прежде чем я назову величину ошибки, позвольте мне уточнить, что такое неправильное предсказание. Если результат расчёта расходится с экспериментом в 10 раз, мы говорим, что ошибка составляет один порядок. Если расхождение составляет 100 раз, то это два порядка. Расхождение в 1000 – три порядка, и т. д. Ошибиться на один порядок величины – это плохо. На два порядка – катастрофа. На три – позор. Так вот, все усилия лучших физиков, использовавших свои лучшие теории для предсказания величины космологической постоянной Эйнштейна, дают ошибку на… сто двадцать порядков! Это настолько плохо, что просто смешно.
Эйнштейн был первым, кто обжёгся на космологической постоянной. В 1917 году, через год после завершения общей теории относительности, он написал статью, о который впоследствии сожалел как о худшей из своих ошибок. Статья называлась «Вопросы космологии и общая теория относительности» и была написана за несколько лет до того, как астрономы поняли, что слабые светящиеся пятна на небе, называемые туманностями, на самом деле являются далёкими галактиками. Прошло ещё двенадцать лет, и американский астроном Эдвин Хаббл произвёл революцию в астрономии и космологии, продемонстрировав, что все галактики удаляются от нас со скоростью, которая растёт с увеличением расстояния до них. Эйнштейн в 1917 году не знал, что Вселенная расширяется. Он, как и все прочие в то время, полагал, что галактики относительно неподвижны и вечно находятся в одних и тех же местах.
Согласно теории Эйнштейна, Вселенная является замкнутой, что в первую очередь означает, что пространство имеет конечную протяжённость. Но это не означает, что у пространства есть край. Например, поверхность Земли тоже является замкнутой. На поверхности Земли не существует точки, удалённой от другой далее чем на 20 000 километров. Кроме того, поверхность Земли не имеет края: нет на Земле такого места, где бы она заканчивалась. Лист бумаги конечен, но он имеет край, некоторые даже скажут: четыре края. Но на поверхности Земли, если вы будете долго идти в любом направлении, вы никогда не достигнете конца пространства. Как и Магеллан, вы в конечном итоге возвратитесь в исходную точку.[31 - На самом деле Магеллан не вернулся обратно в Европу. Он погиб на Филиппинах, но оставшимся в живых членам его команды удалось обогнуть земной шар, тем самым доказав, что он действительно является шаром.]
Мы часто используем словосочетание «земной шар», но в нашем случае речь идёт только о поверхности Земли, которая в первом приближении является сферой. Чтобы сделать аналогию между поверхностью Земли и Вселенной Эйнштейна корректной, необходимо иметь в виду только поверхность, а не земной шар в целом. Представим себе существ – назовём их плоскатиками, – которые обитают на поверхности сферы. Предположим, что они ни при каких обстоятельствах не могут покинуть эту поверхность: они не могут летать и не могут копать. Давайте также предположим, что единственные сигналы, которыми они обмениваются, распространяются только вдоль поверхности. Например, они могут изучать окружающую среду, испуская и регистрируя поверхностные волны некоторого вида. У этих существ не будет концепции третьего измерения, и они не способны его использовать. Такие существа действительно обитают в замкнутом двумерном мире. Математи
Страница 30
бы назвал его 2-сферой, потому что она является двумерной поверхностью.Мы не плоскатики, живущие в двумерном мире. Однако согласно теории Эйнштейна, мы живём в трёхмерном аналоге сферы. Замкнутое трёхмерное пространство трудно изобразить наглядно, но оно имеет смысл. Математическим термином для обозначения такого пространства является 3-сфера. Подобно плоскатикам мы могли бы обнаружить, что живём в 3-сфере, совершив путешествие в одном направлении и вернувшись в итоге в исходную точку. Согласно теории Эйнштейна, наше реальное пространство является 3-сферой.
Вообще говоря, сфера может иметь любое количество измерений. Простейшим примером является окружность.
Окружность одномерна, как и линия. Если бы мы жили на окружности, то имели бы возможность перемещаться только в одном направлении. Другое название окружности – 1-сфера. Перемещение вдоль окружности – это то же самое, что перемещение вдоль линии, за исключением того, что через некоторое время мы возвращаемся в исходную точку. Чтобы определить круг, начнём с того, что изобразим на двумерной плоскости замкнутую кривую. Если расстояние от центральной точки до каждой точки нашей кривой одно и то же, то наша кривая – окружность. Обратите внимание, что для определения 1-сферы мы начали с двумерной плоскости.
Аналогично можно определить 2-сферу, за исключением того, что теперь мы начнём с трёхмерного пространства. Поверхность является 2-сферой, если каждая её точка находится в трёхмерном пространстве на одном и том же расстоянии от центра. Теперь понятно, как обобщить наше определение на 3-сферу или вообще на сферу любой размерности. Для определения 3-сферы следует перейти в четырёхмерное пространство. Представьте себе пространство, для описания положения точки в котором используются четыре координаты вместо обычных трёх. Теперь просто выберите все точки, находящиеся на одном и том же расстоянии от начала координат. Все они лежат на 3-сфере.
Подобно плоскатикам, живущим на 2-сфере, которым неинтересно изучать что-либо, кроме поверхности сферы, геометру, изучающему 3-сферу, нет никакого дела до четырёхмерного пространства, в которое вложена 3-сфера. Мы можем выбросить из головы четвёртое измерение и сосредоточиться только на 3-сфере.
Космология Эйнштейна описывает пространство, которое в первом приближении имеет форму 3-сферы, но, как и земная поверхность, не обладает совершенной сферической формой. В общей теории относительности пространство не является жёстко зафиксированным, оно больше похоже на поверхность упругого воздушного, а не жёсткого стального шара. Представьте себе Вселенную в виде поверхности такого гигантского деформируемого воздушного шарика. Плоскатики живут на резиновой поверхности и фиксируют только сигналы, распространяющиеся вдоль этой поверхности. Они ничего не знают о других пространственных измерениях, не имеют понятия о внутренностях шара, внешней воздушной оболочке. Их пространство является гибким как резина, и расстояние между двумя точками в таком пространстве может со временем изменяться.
На этом воздушном шарике нарисованы галактики, более или менее равномерно покрывающие его поверхность. Если воздушный шарик надувается, галактики движутся друг от друга. Если он сдувается, галактик сближаются. Все это довольно легко себе представить. Трудность возникает при переходе от двух измерений к трём. Теория Эйнштейна описывает мир, в котором пространство является гибким и растяжимым и имеет форму, близкую к 3-сфере.
А теперь добавим гравитационное притяжение. Согласно теории гравитации (как Ньютона, так и Эйнштейна), каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. В отличие от электрических сил, которые бывают как притягивающими, так и отталкивающими, сила гравитации – всегда сила притяжения. Эффект гравитационного притяжения пытается собрать все галактики вместе и сжать Вселенную. На поверхности воздушного шарика роль гравитации играет упругая сила натяжения его поверхности, стремящаяся сжать шарик. Если вы хотите увидеть эффект этого натяжения, просто воткните в шарик булавку…
Если никакая сила не противодействует гравитационному притяжению, галактики будут с ускорением двигаться друг к другу, и вся Вселенная обрушится внутрь себя, как проткнутый булавкой воздушный шарик. Но в 1917 году Вселенная выглядела для наблюдателей статической, неизменной. Астрономы, как и все обычные люди, смотрели на небо и не видели никаких крупномасштабных движений далёких звёзд (кроме небольших случайно направленных собственных движений). Эйнштейн понимал, что статическая Вселенная невозможна, если гравитационные силы являются только силами притяжения. Статическая Вселенная подобна неподвижно парящему над поверхностью земли камню. Если бросить камень вертикально вверх, вы увидите, как он сначала поднимается, а затем падает. Вы можете даже уловить тот момент, когда камень останавливается в верхней точке, меняя направлен
Страница 31
е движения. Но вот что камень не может сделать, так это вечно висеть на фиксированной высоте, если нет никакой другой силы, действующей на камень, кроме силы притяжения Земли. Точно таким же образом статическая Вселенная бросает вызов закону всемирного тяготения.Эйнштейн оказался перед необходимостью модификации своей теории, которая обеспечила бы компенсирующую силу. В случае воздушного шарика такой силой является давление воздуха, противодействующего изнутри натяжению резиновой оболочки. Но реальная Вселенная не наполнена воздухом. Реальная Вселенная представляет собой только поверхность. Поэтому Эйнштейн предположил, что должна существовать какая-то отталкивающая сила, противодействующая гравитации. Может ли общая теория относительности скрывать в своих уравнениях подобную силу?
Внимательно изучив уравнения теории относительности, Эйнштейн обнаружил в них неоднозначность: уравнения могут быть изменены без нарушения их математической согласованности путём добавления ещё одного члена. Роль этого дополнительного члена весьма неожиданна: он добавляет к обычной силе притяжения, которая ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния, ещё одну силу – силу отталкивания, которая с ростом расстояния увеличивается. Величина новой силы определяется новой физической константой, которую Эйнштейн обозначил греческой буквой ? (лямбда). С тех пор эта константа называется космологической постоянной и по-прежнему обозначается буквой ?.
Внимание Эйнштейна привлекло в особенности то, что если выбрать в качестве ? положительное число, то новый член будет соответствовать силе всемирного отталкивания, увеличивающейся пропорционально расстоянию между телами. Эйнштейн понял, что лямбда-член может играть роль той самой отталкивающей силы, действующей против силы всемирного тяготения, которая способна обеспечить равновесие Вселенной. Равновесия галактик можно добиться соответствующим выбором константы ?. Принцип выбора прост: чем больше расстояние между галактиками, тем меньше должно быть значение ?, чтобы удерживать их в равновесии. Несмотря на то что с математической точки зрения константа может быть любой, физически её очень легко определить, зная среднее расстояние между галактиками. В то самое время, когда Хаббл был занят измерением расстояний между галактиками, Эйнштейн был уверен, что открыл секрет Вселенной. Это был мир, балансирующий на двух силах: притяжения и отталкивания.
Но у этой теории есть ряд противоречий. Теоретически Вселенная, построенная Эйнштейном, была нестабильной. Она находилась в состоянии равновесия, но это равновесие было неустойчивым. Разницу между устойчивым и неустойчивым равновесием проще всего понять на примере маятника. Когда маятник висит вертикально, а его груз находится в самой низкой точке, маятник пребывает в состоянии устойчивого равновесия. Это означает, что если вы незначительно отклоните его от точки равновесия, он вернётся к своему первоначальному положению.
Теперь перевернём маятник, так чтобы груз оказался тонко сбалансирован в верхнем положении. Если что-нибудь толкнёт маятник, например лёгкий ветерок или взмах крыла бабочки, он тут же выйдет из равновесия и начнёт падать. Более того, направление, в котором он начнёт падать, непредсказуемо. Статическая Вселенная Эйнштейна ведёт себя как такой неустойчивый перевёрнутый маятник. Малейшее возмущение вызовет либо её взрывообразное расширение, либо такой же неудержимый коллапс. Я не знаю, упустил Эйнштейн этот элементарный момент в своих рассуждениях или просто решил игнорировать его.
Но самое печальное: теория пыталась объяснить то, чего попросту не существовало. По иронии судьбы, никакой нужды в дополнительном члене в уравнениях не было. Проводя наблюдения на 100-дюймовом телескопе[32 - Сто дюймов для размера телескопа звучит весьма скромно, но это относится только к диаметру зеркала, собирающего свет, а не к общему размеру инструмента. В действительности телескоп обсерватории Маунт-Вильсон был крупнейшим в мире до тех пор, пока в 1949 году не был построен 200-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Паломар.] в обсерватории Маунт-Вильсон в Южной Калифорнии, Хаббл обнаружил, что Вселенная не стоит на месте. Галактики разлетаются друг от друга, и Вселенная расширяется как надуваемый воздушный шарик. Нет никакой необходимости компенсировать силы тяготения; от космологического члена, который не добавляет красоты уравнениям, можно попросту отказаться, приравняв его к нулю.
Но однажды открытый ящик Пандоры не так-то просто закрыть.
Космологическая постоянная эквивалентна другой сущности, которую проще всего охарактеризовать как энергию вакуума.[33 - Другое название этого члена, особо любимое журналистами, – тёмная энергия.] Как вы помните, я впервые столкнулся с этим термином в школе Белфер. Словосочетание «энергия вакуума» звучит как оксюморон. Вакуум представляет собой пустое пространство. Оно пустое по определению, – так как же оно может иметь какую-либо энергию? Ответ кроется в тех странных вещах,
Страница 32
которые принесла в мир квантовая механика: странная неопределённость, странная квантованность и странная непрекращающаяся дрожь. Даже пустое пространство обладает «квантовой дрожью». Физики-теоретики представляют вакуум наполненным частицами, которые возникают и исчезают настолько быстро, что мы не в состоянии обнаружить их при обычных обстоятельствах. Эти вакуумные колебания имеют очень высокую частоту, которую не в состоянии измерить наши приборы, подобно тому как наши уши не в состоянии услышать звук слишком высокой частоты. Но вакуумные колебания оказывают влияние на атомы, которые гораздо более чувствительны к высоким частотам, подобно тому как уши собак более чувствительны к высоким звукам. Значения уровней энергии атома водорода могут быть измерены с прецизионной точностью, и результаты этих измерений оказываются чувствительными к незримому присутствию моря флуктуирующих в вакууме электронов и позитронов.Эти странные неустранимые колебания вакуума вытекают из квантовой теории поля и могут быть визуализированы при помощи интуитивно понятных фейнмановских диаграмм. Представьте себе полностью пустое пространство-время, в котором первоначально нет ни одной частицы. Квантовые флуктуации могут на короткое время рождать пары частиц, как показано на следующем рисунке.
На первой диаграмме показаны электрон и позитрон, спонтанно возникающие из ничего, а затем, встретившись, взаимоуничтожающие друг друга. Можно интерпретировать эту диаграмму по-другому: движение электрона происходит по замкнутой траектории в пространстве-времени; двигаясь назад во времени, электрон воспринимается нами как позитрон. На второй диаграмме изображены два спонтанно рождённые, а затем уничтоженные фотона. Последняя диаграмма повторяет первую, за исключением того, что, прежде чем исчезнуть, электрон и позитрон обмениваются фотоном. Есть бесконечное множество более сложных «вакуумных диаграмм», но эти три являются наиболее характерными.
Как долго живут подобные электроны и позитроны? Около одной миллиард-триллионной доли секунды. Теперь представьте себе, что подобные процессы идут во всём пространстве, наполняя Вселенную быстро рождающимися и исчезающими элементарными частицами. Эти короткоживущие квантовые частицы, заполняющие вакуум, называются виртуальными, но последствия их существования могут быть вполне реальными. В частности, это приводит к тому, что вакуум имеет энергию. Вакуум не является состоянием с нулевой энергией. Вместо этого он оказывается состоянием с минимальной энергией.
Вернёмся к космологической постоянной.
Умный читатель может спросить: «Кого заботит, обладает вакуум энергией или нет? Если эта энергия всегда присутствует, почему бы нам просто не скорректировать наше определение энергии путём вычитания из неё энергии вакуума?» Потому что энергия создаёт тяготение. Чтобы понять смысл этой фразы, необходимо помнить два простых физических закона. Во-первых (я обещал, что в книге не будет формул, но прошу прощения, без по крайней мере одной я обойтись не могу), E = mc
. Даже школьники знают, что эта знаменитая формула выражает эквивалентность массы и энергии. Масса и энергия являются в действительности одним и тем же, просто они выражаются в разных единицах; для преобразования массы в энергию достаточно умножить её на квадрат скорости света.
Во-вторых, закон всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что масса является источником гравитационного поля. Это означает, что наличие массы, например Солнца, влияет на движение близлежащих объектов. Мы можем описать гравитационное взаимодействие двумя способами: либо просто сказать, что Солнце влияет на движение Земли, либо ввести для удобства гравитационное поле, создаваемое Солнцем, которое, в свою очередь, оказывает влияние на движение любого тела, до которого дотянется.
Количественно закон Ньютона говорит нам, что напряжённость гравитационного поля Солнца пропорциональна его массе. Если тело в 100 раз тяжелее Солнца, его гравитационное поле будет в 100 раз сильнее и сила, действующая на Землю, будет в 100 раз больше. Это и означает фраза «масса является источником гравитационного поля».
Но если энергии и массы это одно и то же, то предыдущее утверждение может быть переформулировано в виде: «Энергия является источником гравитационного поля». Другими словами, все виды энергии влияют на гравитационное поле и поэтому также влияют и на движения близлежащих масс. Энергия вакуума в квантовой теории поля не является исключением. Даже пустое пространство будет создавать гравитационное поле, если плотность энергии вакуума не равна нулю. Объекты будут перемещаться по пустому пространству так, будто на них действуют силы. Самое интересное, что если вакуумной энергии приписать положительное значение, то её действие будет проявляться в виде силы всемирного отталкивания, своего рода антигравитации, стремящейся растащить галактики в разные стороны. Но это именно то, что мы говорили ранее о космологической постоянной.
Этот момент настолько ва
Страница 33
ен, что я хочу остановиться и объяснить ещё раз. Если пустое пространство на самом деле заполнено энергией вакуума (или, что эквивалентно, вакуумной массой), то сила, с которой оно будет действовать на находящиеся в нём объекты, будет неотличима от силы, являющейся следствием существования ненулевой космологической постоянной. Незаконнорождённое дитя Эйнштейна оказалось не чем иным, как проявлением энергии нулевых колебаний квантового вакуума. Решив выкинуть космологическую постоянную из своих уравнений, Эйнштейн фактически декларировал, что никакой энергии вакуума не существует. Но с современной точки зрения у нас есть все основания полагать, что квантовая дрожь неизбежно порождает энергию в пустом пространстве.Если космологическая постоянная, или энергия вакуума, действительно существует, то на её величину накладываются серьёзные ограничения. Если бы она была слишком большой, это привело бы к наблюдаемому искажению траекторий движения небесных тел. Космологическая постоянная должна быть если не нулевой, то очень маленькой. Но с тех пор, как мы идентифицировали космологическую постоянную с энергией вакуума, никто не может объяснить, почему она должна быть равна нулю или иметь крайне малое значение. Очевидно, скрещивание теории элементарных частиц с теорией гравитации Эйнштейна является очень рискованным делом, потому что получающийся теоретический результат приводит к значению космологической постоянной на много порядков больше.
В сильно волнующемся море виртуальных частиц, называемом вакуумом, присутствуют все виды элементарных частиц. В этом море есть электроны, позитроны, фотоны, кварки, нейтрино, гравитоны и многое другое. Энергия вакуума – это сумма энергий всех составляющих его виртуальных частиц. Каждый тип частиц даёт свой вклад. Некоторые из виртуальных частиц движутся медленно, их вклады в энергию невелики, в то время как другие движутся быстрее и имеют более высокие энергии. Если, используя математическую технику квантовой теории поля, мы сложим всю энергию в этом море частиц, то придём к катастрофе. Существует так много виртуальных частиц, обладающих высокими энергиями, что полная энергия получается бесконечной. Но бесконечность – это бессмысленный ответ. Именно это и вызвало скепсис Дирака. Но современник Дирака Вольфганг Паули пошутил: «Из того, что что-то равно бесконечности, не следует, что это что-то является нулём».
Понятно, что мы переоцениваем вклад очень высокоэнергетичных виртуальных частиц. Для того чтобы математические выражения обрели физический смысл, нам следует как-то по-другому учитывать эффект от их существования. Но мы ещё многого не знаем о поведении частиц, когда их энергия становится выше определённого значения. Физики используют гигантские ускорители для изучения свойств наиболее высокоэнергетичных частиц, но каждый ускоритель имеет свой предел. Даже теоретические идеи в определённый момент выдыхаются. В конечном итоге мы достигнем настолько больших значений энергий, что две частицы, столкнувшись, создадут чёрную дыру! На текущий момент мы находимся далеко от понимания того, что нам открывают имеющиеся инструменты. Даже теории струн это не по плечу. Поэтому вот что мы делаем, чтобы привести теорию в согласие с практикой: мы просто игнорируем вклад (в энергию вакуума) всех виртуальных частиц, энергия которых настолько велика, что они в процессе столкновения способны образовать чёрную дыру. Мы называем это «обрезанием расходимостей», или «перенормировкой теории». Но независимо от используемых слов их смысл остаётся одним и тем же: давайте просто договоримся игнорировать вклад виртуальных частиц очень высоких энергий, который мы пока не понимаем.
Это крайне неудовлетворительная ситуация, но раз уж мы это делаем, то попробуем оценить энергию вакуума, которую дают электроны, фотоны, гравитоны и все прочие известные частицы. Результат больше не будет бесконечным, но он всё равно слишком велик. Обычно энергию измеряют в джоулях. Для того чтобы нагреть литр воды на один градус, необходимо около 4000 джоулей энергии. Единицей объёма обычно служит кубический сантиметр – это примерный объём кончика мизинца. В повседневном мире джоуль на кубический сантиметр – это удобная единица плотности энергии. А сколько же тогда джоулей энергии вакуума содержится в виде виртуальных фотонов в объёме пространства, сравнимом с кончиком вашего мизинца? Оценка на основе квантовой теории поля получается настолько большой, что она требует для своей записи единицы с 116 нулями после неё: десять в сто шестнадцатой степени! Вот такая чёртова пропасть джоулей энергии вакуума заключена в вашем мизинце в виде виртуальных фотонов. Это гораздо бо?льшая энергия, чем та, которая потребовалась бы, чтобы вскипятить всю воду во Вселенной. Это гораздо больше энергии, которую Солнце будет излучать в течение миллиона или миллиарда лет. Это гораздо больше энергии, которую излучат все звёзды во всей наблюдаемой части Вселенной за всё время её существования.
Гравитационное отталкивание, вызванное этой вак
Страница 34
умной энергией, будет иметь катастрофические последствия. Оно не только растащит галактики друг от друга. Оно разорвёт атомы, ядра и даже протоны и нейтроны, из которых состоит вещество галактик. Космологическая постоянная, если она всё же существует, должна иметь намного меньшее значение, чтобы согласовываться со всем, что мы знаем о физике и астрономии.Пока мы оценили энергию вакуума, возникающую в результате вклада только одного типа частиц: фотонов. Как насчёт виртуальных электронов, кварков и всего остального? Они также флуктуируют и вносят вклад в энергию вакуума. Точное значение энергетического вклада каждого типа частиц зависит от масс этих частиц, а также от значений различных констант связи. Можно было бы ожидать, что если мы добавим вклад от электронов, это сделает энергию вакуума ещё большей. Но это не так. Фотоны и другие подобные им частицы дают положительный вклад в энергию вакуума. Одним парадоксальным фактом квантовой теории поля является то, что виртуальные электроны в вакууме обладают отрицательной энергией. Фотоны и электроны принадлежат к классам частиц, которые дают противоположные вклады в энергию вакуума.
Эти два класса частиц называют бозонами и фермионами. Для наших целей не важны нюансы различий между этими двумя классами, но я всё же посвящу им пару абзацев. Фермионами являются такие частицы, как электрон. Если вы помните школьную химию, вы, вероятно, знаете о принципе запрета Паули. Он утверждает, что никакие два электрона в атоме не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Именно по этой причине существует периодическая система элементов. При добавлении в атом новых электронов они заполняют всё более высокие атомные оболочки. Такое поведение характерно для всех частиц, являющихся фермионами. Никакие два фермиона одного и того же типа не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Они являются отшельниками-изоляционистами.
Бозоны, в противоположность фермионам, – это «социальные» частицы. Фотоны являются бозонами. Очень легко получить много бозонов в одном и том же состоянии: например, лазерный луч является набором фотонов, находящихся в одном квантовом состоянии. Вы не сможете построить лазер, использовав пучок фермионов. С другой стороны, невозможно построить атомы из бозонов, по крайней мере те атомы, которые входят в периодическую таблицу.
Какое отношение имеет всё это к энергии вакуума? Ответ состоит в том, что виртуальные бозоны в вакууме имеют положительную энергию, а виртуальные фермионы – отрицательную. Причины тому технические, поэтому просто примите как данность: вакуумные виртуальные фермионы и вакуумные виртуальные бозоны способны скомпенсировать вклад друг друга в энергию вакуума, потому что их вклады имеют противоположные знаки.
Так что же, если мы подсчитаем вклад всех фермионов и бозонов, существующих в природе: фотонов, гравитонов, глюонов, W-бозонов, Z-бозонов и бозонов Хиггса на стороне бозонов и нейтрино, мюонов, электронов и кварков на стороне фермионов, – смогут ли они скомпенсировать друг друга? Нет, и даже приблизительно! Печальная правда в том, что мы понятия не имеем, почему энергия вакуума не является такой огромной. Почему она недостаточно велика, чтобы разорвать атомы, протоны, нейтроны и все прочие известные объекты.
Тем не менее физики сумели построить математические теории воображаемых миров, в которых положительный вклад бозонов в энергию вакуума в точности компенсируется отрицательным вкладом фермионов. Это очень просто. Всё, что нужно сделать, – это убедиться, что все частицы составляют соответствующие пары: для каждого фермиона должен существовать парный ему бозон, а для каждого бозона – парный ему фермион, и они должны иметь одинаковые массы. Другими словами, электрон должен иметь парный бозон с точно такими же массой и зарядом, как у электрона. Фотон также должен иметь парный безмассовый фермион. На тайном языке теоретической физики такого рода соответствие одного другому называется симметрией. Соответствие между предметом и его отражением в зеркале – это зеркальная симметрия. Соответствие между частицами и античастицами – это симметрия относительно зарядового сопряжения. Поэтому, согласно традиции, соответствие между фермионами и бозонами также было названо симметрией. Наиболее перегруженное работой слово в физическом лексиконе – это слово «супер»: суперпозиция, суперпартнёр, суперколлайдер, теория суперструн… Физики обычно не поклонники гипербол, но всё, что они смогли придумать для описания соответствия бозонов и фермионов, был термин суперсимметрия. Суперсимметричные теории не содержат энергии вакуума, потому что она в них взаимоуничтожается вкладами фермионов и бозонов.
Но супер или не супер, а фермион-бозонная симметрия не является объектом реального мира. Нет ни суперпартнёра электрона, ни суперпартнёров любых других элементарных частиц. Фермионы и бозоны не взаимоуничтожают вклад в энергию вакуума, и в итоге мы должны признать, что наша лучшая теория элементарных частиц даёт такое значе
Страница 35
ие энергии вакуума, при котором гравитационные эффекты будут слишком велики. Мы не знаем, что с этим делать. Позвольте мне обрисовать масштабы проблемы, так сказать, в перспективе. Сначала придумаем единицу измерения плотности энергии, соответствующую 10джоулей на кубический сантиметр, назовём её 1 Единица. Теперь каждый вид частиц даёт вклад в энергию вакуума, равный приблизительно одной Единице. Точное значение вклада зависит от массы и других свойств частицы. Некоторые из частиц дают положительный вклад, некоторые – отрицательный. Сумма всех их вкладов должна дать невероятно малую плотность энергии, выраженную в Единицах. Если плотность энергии вакуума превысит 0,00000000000000000000 000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000000000000000000001 Единицы, это будет противоречить имеющимся астрономическим данным. Для кучи чисел, ни одно из которых не является настолько малым, возможность случайно скомпенсировать друг друга с такой точностью является совершенно невероятным совпадением, поэтому очевидно, что должны существовать какие-то другие ответы.
Физики-теоретики и космологи-наблюдатели рассматривают эту проблему по-разному. Традиционно космологи не имеют ничего против существования космологической постоянной, имеющей очень малое значение. В духе экспериментальной науки – рассматривать любой параметр в аспекте способа его измерения. Теоретики, включая меня, указывают на абсурдность требуемого совпадения и говорят себе (и друг другу), что должно существовать глубоко скрытое математическое обоснование, требующее, чтобы константа была в точности равна нулю. Это представляется более вероятным, чем взаимоуничтожение 119 десятичных знаков без уважительной причины. Мы почти полвека стремились найти такую причину, но нам не повезло. Струнные теоретики представляют особую породу физиков с очень строгим мнением об этой проблеме. Теория, над которой они работают, часто выкидывает неожиданные математические чудеса, приводящие к подобному взаимоуничтожению больших чисел. По их мнению (не слишком давно я и сам придерживался подобного мнения), теория струн могла бы быть частным случаем более общей теории всего, объясняющей все явления природы. И будучи верной, такая теория должна была бы содержать некие глубокие математические основания для того, чтобы энергия вакуума была равна нулю. Поиск причины малости энергии вакуума рассматривается как одна из важнейших и сложнейших проблем современной физики. Ни одно другое явление не озадачивало физиков так надолго, как это. Любая попытка решения указанной проблемы, предпринимаемая в квантовой теории поля или в теории струн, неизменно проваливается. Так что проблема энергии вакуума действительно является матерью всех физических проблем.
Стивен Вайнберг произносит «запретное слово»
Физики, десятилетиями ломавшие свой коллективный ум о космологическую постоянную, пришли к середине 1980-х годов с пустыми руками. Отчаянные ситуации требуют отчаянных мер, и в 1987 году Стивен Вайнберг, один из самых видных учёных, высказал отчаянную идею. Наплевав на все предосторожности, он предложил немыслимое: возможно, космологическая постоянная настолько мала по причинам, не имеющим ничего общего с теорией струн или любой другой математической теорией. Может быть, причина в том, что если ? будет больше, то наше собственное существование окажется под вопросом. Этот род логики вошёл в науку под именем антропный принцип: некоторые свойства Вселенной или законы физики являются именно такими, потому что, если бы они были другими, мы просто не могли бы существовать. Существует много вопросов, являющихся кандидатами на объяснение при помощи антропного принципа, например:
1. Почему Вселенная большая?
2. Почему существует электрон?
3. Почему пространство трёхмерно?
Возможные ответы:
1. Размеры Вселенной должны быть по крайней мере больше размеров Солнечной системы, чтобы могли существовать солнцеподобные звёзды и землеподобные планеты.
2. Без электронов были бы невозможны атомы и органические соединения.
3. Существует множество явлений, которые могут происходить в трёх измерениях, но которые невозможны в пространствах других размерностей. Пример одного из таких явлений – стабильность Солнечной системы. В мире из четырёх и более измерений движения планет будут весьма хаотичны, что не обеспечит стабильные условия в течение миллиардов лет, необходимые для возникновения жизни и биологической эволюции. Ещё хуже то, что силы, действующие между ядрами и электронами, в пространстве высоких размерностей будут настолько сильны, что втянут электроны внутрь ядер и сделают невозможным химические реакции.
Маленькая вселенная, Вселенная без электронов или Вселенная с другим количеством измерений была бы бесплодной Вселенной, в которой не существовало бы разумных существ, задающих эти вопросы.
Нет сомнений, что имеются совершенно законные аспекты, в которых использование антропной аргументации оправданно. Мы живём на поверхности
Страница 36
ланеты, а не на поверхности звезды, потому что жизнь не может существовать при температурах 10 000 градусов. Но использовать эти аргументы для объяснения фундаментальных физических констант… Мысль о том, что фундаментальные константы определяются фактом нашего собственного существования, подвергалась анафеме большинством физиков. Какой механизм мог бы скорректировать законы природы для того, чтобы обеспечить существование человеческой расы? Существует ли разумное объяснение, помимо апелляции к сверхъестественным силам? Физики часто относятся к антропному принципу как к религии, суеверию или «запретному слову» и предпочитают отказываться от него.Стивен Вайнберг – один из моих старых друзей. Я впервые услышал его громовой баритон в мексиканском кафе в Беркли. Это был 1965 год, времена всевозможных протестов: движения Марио Савио за свободу слова, Джефферсона Поланда за свободу секса, выступления в поддержку ЛСД и против войны во Вьетнаме. Я поучаствовал во всех четырёх плюс ещё в нескольких. Мои волосы были длинными, я носил джинсы и обтягивающую чёрную футболку. И в свои двадцать пять я был свежеиспечённым доктором из Корнельского университета штата Нью-Йорк. Стивену было немного за тридцать. Мы оба выросли в Бронксе, учились в одной и той же средней школе, но на этом наше сходство заканчивалось. Когда я встретил Стивена, он уже был выдающимся учёным, образцовым профессором Беркли. И одевался он как кембриджский дон.
В тот день в кафе он царил, проповедуя что-то французское и историческое. Разумеется, у меня были все основания проникнуться к нему неприязнью. Но познакомившись с ним ближе, я понял, что самой яркой чертой характера Стива была способность смеяться над самим собой. Он любил казаться важным, но при этом осознавал, что иногда кажется смешным. Как вы понимаете, несмотря на все наши различия, я очень люблю Вайнберга.
Я всегда восхищался ясностью и глубиной понимания физики Стивеном Вайнбергом. На мой взгляд, он скорее, чем кто-нибудь, мог бы претендовать на звание отца-основателя Стандартной модели. Но в последние годы я ещё больше восхищаюсь его мужеством и интеллектуальной последовательностью. Он является одним из ведущих борцов против креационизма и других форм антинаучного мышления. И однажды ему хватило мужества выразить мнение, которое шло вразрез с научными предрассудками его коллег. На самом деле, и это видно из его статей, сам он сильно недолюбливал антропный принцип, скорее всего потому, что антропный принцип слишком созвучен тому, что некоторые люди сегодня называют разумным замыслом. Но тем не менее, приходя в отчаяние по поводу космологической постоянной, он чувствовал, что не может игнорировать возможности антропного объяснения. Что характерно, он задал практический вопрос: будет ли катастрофичным для возможности развития разумной жизни значение космологической постоянной большее, чем наблюдаемые 10
Единиц? Если окажется, что большее значение ? не может препятствовать развитию жизни, то возможность существования жизни не будет принципиальным фактом, струнные теоретики могут попытаться найти элегантное математическое решение этой проблемы. Но если чуть большее значение космологической постоянной делает существование жизни невозможным, тогда антропный принцип придётся рассматривать всерьёз. Я всегда удивлялся, каким образом Вайнберг собирается вывернуться из этой ситуации.
Справедливости ради следует отметить, что многие космологи не только благодушно приняли антропный принцип, но и горячо поддержали его. Например, гипотеза о том, что малость космологической постоянной может иметь антропное объяснение, была высказана двумя космологами Джоном Барроу и Фрэнком Типлером в их книге.[34 - The Anthropic Cosmological Principle. By John D. Barrow & Frank J. Tipler, Oxford University Press, 1986 (Дж. Барроу и Ф. Типлер, «Антропный космологический принцип»).] Среди тех, кто судит непредвзято, были сэр Мартин Рис, британский «королевский астроном», Андрей Линде и Александр Виленкин – оба известные российские космологи, живущие в Соединённых Штатах. Возможно, космологи оказались более восприимчивы к идее антропного принципа, чем физики, потому что перед их глазами была реальная Вселенная, а не абстрактные уравнения, менее требовательные к простоте и элегантности, чем случайные совпадения произвольных чисел.
В любом случае Вайнберг поставил задачу выяснить, существует ли причина, по которой значение космологической постоянной, превышающее 10
Единиц, сделает жизнь невозможной. Чтобы дать некоторое представление о задаче, с которой он столкнулся, можно спросить, насколько большие последствия для обычных земных явлений будет иметь увеличение значения космологической постоянной.
Вспомним, что космологическая постоянная проявляет себя как сила всемирного отталкивания. Силы отталкивания, действующие между электронами и ядрами атома, будут изменять свойства атомов. Но если тщательно всё подсчитать, то станет очевидно, что эффект отталкивания, вызванный столь малой космологичес
Страница 37
ой постоянной, будет настолько мал, что влияние его на свойства атомов или молекул будет совершенно незаметным. Даже значение космологической постоянной, на много порядков превышающее 10Единиц, всё равно будет слишком мало, чтобы оказать какой бы то ни было эффект на химические реакции. Может быть, малость космологической постоянной важна для стабильности Солнечной системы? Нет. Опять же последствия оказываются слишком малы, даже при увеличении ? на много порядков. Не видно никаких причин, по которым увеличение космологической постоянной может повлиять на возможность существования жизни.
Тем не менее Вайнберг нашёл, за что зацепиться. Это имеет отношение не к сегодняшней физике, химии и астрономии, а к той эпохе, когда галактики только начали формироваться из первичного материала ранней Вселенной. В то время водород и гелий, составлявшие основную массу Вселенной, были распределены по всему пространству очень однородно. Вариаций плотности от одной точки к другой практически не существовало.
Сегодня Вселенная полна фрагментов различных размеров: от малых планет и астероидов до супергигантских скоплений галактик. Если бы условия в ранней вселенной были повсюду одинаковыми, то в ней не смогли бы возникнуть никакие неоднородности. Идеальная симметричная сферическая Вселенная будет оставаться такой неограниченно долго. Но ранняя Вселенная была не совсем однородной. В первые секунды её существования, последствия которых мы можем наблюдать, были незначительные отличия в плотности и давлении, составлявшие в относительном выражении несколько стотысячных. То есть вариации плотности были в сто тысяч раз меньше, чем сама плотность. Для гравитационной фрагментации вещества важна не общая плотность, а именно эти небольшие вариации плотности.
Даже этих бесконечно малых иррегулярностей оказалось достаточно для того, чтобы начался процесс формирования галактики. С течением времени вещество стало перетекать под действием гравитации из мест, где плотность была чуть меньше, в места, где она была чуть больше. Это привело к увеличению разницы в плотности между такими местами. В итоге процесс всё ускорялся, пока не привёл к формированию галактик.
Но из-за того, что эти первоначальные неоднородности плотности были крайне малы, даже небольшое гравитационное отталкивание могло бы переломить тенденцию к комкованию Вселенной. Вайнберг обнаружил, что если бы космологическая постоянная была всего на порядок или два больше, чем её нынешнее эмпирическое значение, то во Вселенной никогда не возникло бы ни галактик, ни звёзд, ни планет!
Случай отрицательной ?
До сих пор я говорил об отталкивающем эффекте, сопровождающем положительную энергию вакуума. Но предположим, что вклад фермионов перевешивает вклад бозонов: тогда полная энергия вакуума будет отрицательной. Разве такое возможно? Если да, то как это повлияет на аргументы Вайнберга?
Ответ на первый вопрос: да, такое может произойти очень легко. Все, что для этого нужно, – это небольшое преобладание фермионов над бозонами, и космологическая постоянная станет отрицательной. Ответ на второй вопрос тоже несложен. Изменение знака ? добавляет к силе всемирного тяготения не отталкивающую силу, а силу притяжения, которая увеличивается пропорционально расстоянию. Чтобы убедительно доказать, что большая космологическая постоянная автоматически сделает Вселенную необитаемой, нам нужно показать, что жизнь не сможет возникнуть, если космологическая постоянная будет иметь большое отрицательное значение.
На что будет похожа Вселенная, если все законы природы в ней останутся теми же самыми, за исключением космологической постоянной, которая будет отрицательной? Ответ для этого случая оказывается ещё проще, чем для случая положительной ?. Дополнительная сила притяжения в конечном итоге остановит хаббловское расширение: Вселенная начнёт сдуваться, как проколотый воздушный шарик. Галактики, звёзды, планеты и вся жизнь будут уничтожены в процессе «большого сжатия». Если отрицательное значение космологической постоянной будет слишком большим, наступившее сжатие не даст Вселенной необходимых для возникновения и развития жизни миллиардов лет. Таким образом, существует антропное ограничение на отрицательные значения ?, соответствующее вайнберговскому ограничению на положительные значения. Эти ограничения довольно близки. Если космологическая постоянная отрицательна, она также не должна отличаться от нуля больше чем на 10
Единиц, чтобы во Вселенной могла возникнуть и развиться жизнь.
Но, как я уже говорил, ничто не исключает возможности существования других карманных вселенных, в которых космологическая постоянная имеет либо большое отрицательное, либо большое положительное значение. Но они не являются местами, в которых возможна жизнь. Во вселенных с большой положительной ? всё разлетается в разные стороны так быстро, что не остаётся никаких шансов для образования таких структур, как галактики, звёзды, планеты, атомы и даже атомные ядра. В карманных вселенных с бол
Страница 38
шой отрицательной ? расширение быстро сменяется сжатием и хоронит все надежды на возникновение жизни.Антропный принцип выдержал первое испытание. Тем не менее общей реакцией теоретиков на работу Вайнберга было её игнорирование. Традиционная физика не принимала антропный принцип. Частично это негативное отношение проистекало из-за отсутствия соглашения о том, что же, собственно, декларирует этот принцип. Для некоторых он попахивал креационизмом и потребностью в сверхъестественном агенте для тонкой настройки законов природы в интересах человека, что являлось угрожающе антинаучной идеей. Но больше всего он диссонировал с идеей о возможности теоретически вывести все законы природы и значения физических констант из неких элегантных математических принципов.
Но Вайнберг пошёл несколько дальше. Он заявил, что независимо от того, какой смысл вкладывается в антропный принцип и какой механизм обеспечивает его выполнение, одно достаточно ясно: принцип может показать нам, что ? должна быть достаточно мала, чтобы не убить нас, но нет никаких причин, по которым она должна быть в точности равна нулю. На самом деле нет никаких оснований и для того, чтобы она была намного меньше, чем это необходимо для обеспечения жизни. Не беспокоясь о глубинном смысле антропного принципа, Вайнберг по сути сделал важное предсказание: если антропный принцип является верным, то астрономы должны будут обнаружить ненулевую энергию вакуума, значение которой не будет существенно меньше, чем 10
Единиц.
Планковская длина
Меня всегда очаровывал процесс открытия. Я имею в виду психологию процесса, представляющего собой последовательность: цепь рассуждений – озарение – «Эврика!». Одно из моих любимых занятий – ставить себя на место какого-нибудь великого учёного и представлять, как бы я на его месте мог прийти к решающему открытию.
Сейчас я расскажу, как бы я внёс первый большой вклад в квантовую теорию гравитации. Это произошло бы за 16 лет до того, как молодой Эйнштейн создал современную теорию гравитации, и за 26 лет до того, как эти выскочки Гейзенберг и Шрёдингер придумали современную квантовую механику.
На самом деле я, Макс Планк, сделал это, сам того не осознавая.
Берлин, 1900 год. Институт кайзера Вильгельма
Недавно я сделал самое удивительное открытие: я открыл совершенно новую фундаментальную физическую константу. Люди называют её моим именем: постоянная Планка. Я сидел в своем офисе и думал: почему это у фундаментальных физических констант, таких как скорость света, гравитационная постоянная Ньютона и моя новая константа, такие неудобные значения? Скорость света составляет 2,997?10
метров в секунду. Гравитационная постоянная – 6,67?10
кубометров в квадратную секунду на килограмм. А моя константа – ещё хуже: 6,624?10
килограмм-квадратных метров в секунду. Почему они все такие большие или такие маленькие? Жизнь физиков была бы намного комфортнее, если бы все они были одного порядка.
И тут меня как ударило! Существуют три фундаментальные единицы для измерения длины, массы и времени: метр, килограмм и секунда. Есть также три фундаментальные константы. Если изменить единицы измерения, скажем, на сантиметры, граммы и часы, численное значение всех трёх констант изменится. Например, величина скорости света станет менее удобной: 1,08?10
сантиметров в час. Но если я использую световые годы для измерения расстояния и годы для измерения времени, то скорость света будет равна в точности 1, поскольку свет проходит один световой год за один год. Не означает ли это, что я могу придумать несколько новых единиц измерения и сделать три фундаментальные константы такими, как мне удобно? Я даже могу найти такие единицы измерения, в которых все три фундаментальные физические константы будут равны единице! Это упростит множество формул. Я буду называть новые единицы измерения «естественными», поскольку они основаны на физических константах. Может быть, если мне повезёт, люди начнут называть их «планковскими единицами». Посчитать, срочно посчитать…
А вот и мой результат: естественная единица длины составляет около 10
сантиметра. Святой Бернулли! Это меньше, чем что-либо, о чём только можно подумать. Некоторые из тех, кто изучает атомы, говорят, что диаметр атома составляет около 10
сантиметра. Это значит, что новая естественная единица длины во столько же раз меньше атома, во сколько раз атом меньше Галактики![35 - Прошу прощения за анахронизм. О других галактиках в 1900 году ещё не знали.]
Отлично! А что у нас с естественной единицей времени? Она получается порядка 10
секунды! Это невообразимо мало. Даже период колебания световой волны невообразимо больше естественной единицы времени.
А для единицы массы… Ага, естественная единица массы оказывается небольшой, но всё же не настолько малой: около 10
грамма. Примерно столько весит пылинка. Эти единицы должны иметь какое-то особое значение.
Все физические формулы выглядят значительно проще, если работать в е
Страница 39
тественных единицах. Интересно, что это значит?Вот так Планк, сам того не осознавая, сделал одно из величайших открытий в области квантовой гравитации.
Планк прожил ещё 47 лет, дожив до 89. Но я не уверен, что он когда-либо представлял себе, сколь глубокое влияние оказали открытые им планковские единицы измерения на последующие поколения физиков. К 1947 году общая теория относительности и квантовая механика были частью базового курса физики, но едва ли кто-то думал о синтезе их в квантовую гравитацию. Три планковские единицы – единица длины, единица массы и единица времени – имели решающее значение для развития этой дисциплины, но даже сейчас мы только начинаем понимать всю их глубину. Я приведу лишь несколько примеров.
Ранее я уже говорил, что в теории Эйнштейна пространство растягивается и деформируется как поверхность воздушного шарика. Его можно растянуть в гладкую плоскость или скомкать, как старую газету. Но стоит совместить эту идею с квантовой механикой, как пространство обретает совершенно новые свойства. Согласно принципам квантовой механики, всё, что может колебаться, колеблется. Если пространство способно деформироваться, то оно должно быть подвержено «квантовой дрожи». Если бы у нас был очень мощный микроскоп, мы увидели бы, что пространство флуктуирует, вибрирует и мерцает, образуя в местах пучностей миниатюрные «бублики». Оно выглядело бы похожим на кусок ткани или бумаги. Издалека такой кусок выглядит ровным и гладким, но под микроскопом можно увидеть, что он полон ям, неровностей, волокон и отверстий. С пространством всё так же, только ещё хуже. Пространство не просто состоит из подобных текстур: эти текстуры ещё и невероятно быстро меняются.
Насколько мощным должен быть микроскоп, чтобы показать нам флуктуирующую структуру пространства? Вероятно, вы уже догадались: микроскоп должен разрешать детали размером порядка планковской длины, то есть 10
сантиметра. Это и есть масштаб квантовой структуры пространства.
А как быстро меняется структура пространства на масштабе планковской длины? Опять же нетрудно догадаться, что характерный период этих флуктуаций должен иметь порядок планковского времени – 10
секунды!
Многие физики считают, что физический смысл планковской длины – это минимальное возможное расстояние. Аналогично, планковское время является кратчайшим возможным промежутком времени.
Но мы ещё не обсудили планковскую массу. Чтобы понять её физический смысл, представьте себе две частицы, сталкивающиеся с такой силой, что в результате они создают в точке столкновения чёрную дыру. Это действительно может случиться, если две сталкивающиеся частицы имеют достаточно большую энергию; в этом случае они исчезнут, оставив после себя чёрную дыру – один их тех загадочных объектов, о которых пойдёт речь в 11-й главе этой книги. Энергия, необходимая для формирования такой чёрной дыры, уже упоминалась ранее, когда я рассказывал об энергии вакуума. Насколько большой должна быть эта энергия, учитывая, что масса и энергия – это одно и то же? Ответ очевиден: разумеется, она должна быть равна планковской массе. Планковская масса не является ни минимальной, ни максимальной возможной массой частицы вещества; планковская масса – это минимальная возможная масса чёрной дыры. Кстати, чёрная дыра планковской массы будет иметь размер порядка планковской длины и просуществует не более планковского времени, прежде чем взорвётся, оставив после себя фотоны и прочий мусор.
Как установил Планк, эта масса составляет около одной стотысячной грамма. По обычным стандартам это не очень большая масса, и если мы умножим её на квадрат скорости света, то получится не очень большая энергия. Но если соотнести эту энергию с энергией столкновения двух элементарных частиц, то такое событие будет настоящим подвигом в микромире. Для получения частиц таких энергий понадобится ускоритель, размер которого будет исчисляться многими световыми годами.
Напомню, что когда мы оценивали плотность энергии вакуума, возникающей за счёт вклада виртуальных частиц, мы получили результат, который соответствует одной планковской массе в одном планковском объёме. Иными словами, мера плотности энергии, которую я определил как 1 Единица, является не чем иным, как естественной планковской единицей плотности энергии.
Мир на планковском масштабе является крайне необычным местом, в котором геометрия постоянно меняется, пространство и время едва различимы, а высокоэнергетичные виртуальные частицы постоянно рождают в ходе взаимных столкновений крошечные чёрные дыры, существующие не дольше планковского времени. Но именно в этом мире струнные теоретики проводят всё своё рабочее время.
Позвольте мне теперь занять немного пространства и времени и подвести итог двух сложных глав, которые приводят нас к следующей дилемме. Микроскопические законы мира элементарных частиц в виде Стандартной модели являются невероятно надёжным фундаментом для построения теории, позволяющей рассчитывать поведение не только самих
Страница 40
астиц, но и ядер, атомов и простых молекул. Предположительно, обладая достаточно мощным компьютером и достаточным временем, мы могли бы рассчитать любые молекулы и даже перейти к более сложным объектам. Но Стандартная модель является чрезвычайно сложной и содержит слишком много свободных параметров. Она не способна объяснить сама себя. Можно придумать множество других списков элементарных частиц и констант связи, которые лягут в Стандартную модель столь же математически последовательно, как те, что существуют в природе.А дальше – ещё хуже. Пытаясь совместить теорию элементарных частиц с теорией гравитации, мы получаем ужасную космологическую постоянную, достаточно большую, чтобы уничтожить не только галактики, звёзды и планеты, но и атомы, и даже протоны и нейтроны, если только… Если что? Если различные бозоны, фермионы, массы и константы связи, используемые при расчёте энергии вакуума, не вступят в сговор с целью отменить первые 119 десятичных знаков. Но какой естественный механизм мог бы обеспечить подобное положение дел? Балансируют ли законы физики на острие невероятно острого ножа, и если да, то почему? Вот в чём вопрос.
В следующей главе мы обсудим, что определяет законы физики и насколько они уникальны. Мы обнаружим, что эти законы вовсе не уникальны! Они даже могут изменяться от места к месту в Мегаверсуме. Могут ли в Мегаверсуме существовать такие особые редкие места, в которых константы сговорились скомпенсировать энергию вакуума с достаточной точностью, чтобы позволить возникнуть жизни? Основная идея ландшафта возможностей, допускающая такой вариант, является предметом главы 3.
Глава 3. Рекогносцировка местности
– Навигатор, оно нас догоняет? – Лицо капитана было мрачным, бусинки пота катились по его лысому черепу и падали с подбородка. На руке, сжимавшей в кулаке ручку управления, вздулись вены.
– Да, капитан, боюсь, что нет никакой возможности от него оторваться. Пузырь растёт, и если мои расчёты верны, он неизбежно поглотит нас.
Капитан вздрогнул и ударил кулаком по пульту управления:
– Никогда не думал, что всё закончится именно так. Оказаться проглоченным пузырём альтернативного вакуума… Можете вы сказать, каковы физические законы внутри него? Есть ли у нас шанс выжить?
– Вряд ли. Я оцениваю наши шансы как 1:10
– один на гугол. Возможно, вакуум внутри пузырька допускает существование электронов и кварков, но постоянная тонкой структуры, скорее всего, слишком велика. Она разорвёт атомные ядра ко всем чертям. – Штурман посмотрел на выписанные им уравнения и печально улыбнулся. – Даже если с постоянной тонкой структуры всё о’кей, существует вероятность, что там большая КП.
– КП?
– Да, вы знаете – Космологическая Постоянная. Скорее всего, она отрицательна и достаточно велика, чтобы разорвать наши молекулы – вот так.
Навигатор щёлкнул пальцами.
– Оно уже здесь! О боже! Нет, это суперсимметрия.[36 - В главе 8 объясняется, почему навигатор боялся суперсимметрии.] Никаких шансов…
Дальше – тишина.
Это было начало плохого научно-фантастического рассказа, который я попытался написать. Через несколько абзацев я бросил эту затею, поняв, что начисто лишён писательского таланта. Но наука может быть гораздо интереснее фантастики.
Всё большее число физиков-теоретиков склоняется к мнению, что законы физики не только могут изменяться, но и что это изменение почти всегда оказывается смертельным. В каком-то смысле законы природы похожи на погоду Восточного побережья: чрезвычайно переменчивую, почти всегда ужасную, но в редких случаях – прекрасную. Подобно смертоносным ураганам пузыри с чрезвычайно враждебным содержимым могут проноситься через Вселенную, разрушая всё на своём пути. Но в особых редких местах мы обнаруживаем законы физики, идеально подходящие для нашего существования. Как же случилось, что мы оказались в одном из таких уникальных мест? Для этого нужно понять причины изменчивости законов физики, оценить, насколько большим является диапазон их изменения и каким образом область пространства может внезапно изменить свой характер, превратившись из смертельно враждебной в дружелюбную. Это подводит нас к главной проблеме нашей книги – Ландшафту.
Ландшафт – это пространство возможностей. География и топография Ландшафта состоит из холмов и долин, равнин и каньонов, гор и перевалов. Но, в отличие от обычного ландшафта, Ландшафт не трёхмерен, он простирается на сотни, а может быть, и на тысячи измерений. Почти все описанные детали Ландшафта представляют собой среду, смертельную для жизни, но некоторые из низколежащих долин оказываются обитаемыми. Ландшафт – это не реальное место. Он не располагается на Земле или где-либо ещё. Он не находится ни в пространстве, ни во времени. Это математическая конструкция, каждая из точек которой представляет собой некий набор возможностей окружающей среды, или, как скажет физик, возможного вакуума.
Обычно словом «вакуум» принято обозначать пустое пространство, из которого удалён воздух, водяной пар и
Страница 41
юбое другое вещество. Это то, с чем обычно имеет дело физик-экспериментатор, который возится с вакуумными трубками, вакуумными камерами и вакуумными насосами. Но в теоретической физике термин «вакуум» обозначает гораздо больше. Это своего рода сцена, на которой разворачивается физическое действие. Вакуум потенциально содержит всё, что может произойти на этой сцене. Это и список всех элементарных частиц, и фундаментальные физические константы, которые могут быть обнаружены или измерены в экспериментах, проводимых в этом вакууме. Короче говоря, вакуум – это среда, в которой Законы Физики принимают конкретную форму. Наш вакуум может содержать электроны, позитроны, фотоны и прочие обычные элементарные частицы. В нашем вакууме электрон имеет массу 0,511 МэВ, масса фотона равна нулю, а постоянная тонкой структуры – 0,007297351. Другие вакуумы могут, например, содержать безмассовые электроны, фотоны с массой 10 МэВ, не содержать кварков, но при этом иметь 40 различных видов нейтрино и постоянную тонкой структуры, равную 15,003571. Другой вакуум означает другие Законы Физики. Каждая точка Ландшафта представляет собой набор законов, которые, скорее всего, очень отличаются от наших собственных, но которые, тем не менее, возможны. Стандартная модель – это всего лишь одна из точек на ландшафте возможностей.Но если Законы Физики могут различаться от вакуума к вакууму, то же самое можно сказать и об объектах изучения всех наук. В мире с более лёгкими электронами и более тяжёлыми протонами, скорее всего, отсутствовали бы атомы. Отсутствие атомов означает отсутствие химии, то есть отсутствие периодической системы, отсутствие молекул, кислот, оснований, органических соединений, а следовательно, и биологии.
Идея вселенных с альтернативными законами природы кажется научной фантастикой. Но она более реальна, чем фантастика. Благодаря современным медицинским технологиям альтернативные вселенные регулярно создаются внутри МРТ-аппаратов. Аббревиатура МРТ была придумана для замены прежнего названия, ЯМР – ядерного магнитного резонанса, – чтобы не пугать обывателя страшным словом «ядерный». Поэтому название технологии было заменено на магнитно-резонансную томографию, или сокращённо – МРТ. В действительности в явлении ядерного магнитного резонанса не участвуют ни ядра урана или плутония, ни ядерные боеголовки. Ядра, о которых идёт речь в названии, находятся внутри тела пациента, и МРТ-аппарат аккуратно их возбуждает. Обычно этот аппарат представляет собой полый цилиндр, в стенках которого размещены электрические катушки, создающие внутри цилиндра очень сильное магнитное поле. Пациент внутри цилиндра находится в своей собственной маленькой вселенной, свойства вакуума которой слегка отличаются от свойств вакуума вселенной за пределами цилиндра. Представьте себе, что вы проснулись утром внутри такой машины, не зная, где вы находитесь. Что-то будет не так с законами физики. Первое, что вы заметите, – странное, я бы даже сказал опасное поведение железных предметов. Если у вас случайно в кармане пижамы окажется компас, то вы обнаружите, что его стрелка как влитая указывает в строго определённом направлении.
Вероятно, взять с собой внутрь МРТ-аппарата старый телевизор с электронно-лучевым кинескопом будет не самой лучшей идеей, но предположим, что вы это сделали. Включив его, вы обнаружите, что изображение на экране искажено причудливым образом. Зная, как работает кинескоп, вы могли бы восстановить траектории движения электронов. Сильное магнитное поле заставляет электроны двигаться не по прямой, а по штопорообразной спирали. Физик, знакомый с фейнмановскими диаграммами, скажет, что что-то не так с пропагатором электрона. Пропагатор – это не просто картинка, изображающая перемещение электрона из одной точки в другую, а ещё и математическое выражение, описывающее это движение.
Фундаментальные константы могут также оказаться слегка другими. Взаимодействие сильного магнитного поля со спинами электронов может даже привести к небольшому изменению их масс. Ещё интереснее оказывается влияние сильного магнитного поля на атомы. Магнитные силы слегка сплющивают электронные оболочки атомов в направлении, перпендикулярном вектору поля. В обычном МРТ-аппарате этот эффект незначителен, но в более сильных магнитных полях атомы могут превратиться в некое подобие спагетти, вытянутых вдоль силовых линий поля.
Эффект влияния магнитного поля обнаруживается в виде небольших изменений энергетических уровней атомов и, соответственно, отражается на спектре излучения. Механизм этих изменений лежит в способе, которым электроны, позитроны и фотоны взаимодействуют друг с другом. Более сильное магнитное поле окажет эффект и на вершинную диаграмму, что отразится на значении постоянной тонкой структуры, которая будет зависеть от характера движения электронов.
Разумеется, магнитное поле МРТ-аппарата слабое, и его влияние на законы, управляющие движением заряженных частиц, минимально. Но в очень сильном поле пациент будет чувствовать себя
Страница 42
еуютно, и влияние такого поля на физические законы может стать для пациента фатальным, потому что изменение свойств атомов приведёт к ужасным последствиям в плане протекания химических и биологических процессов.Существуют два взгляда на описанную ситуацию, и оба правильные. С одной стороны, можно сказать, что фундаментальные законы природы нисколько не изменились, а изменилась физическая среда, в которой теперь присутствует сильное магнитное поле. С другой стороны, можно сказать, что изменились правила расчёта фейнмановских диаграмм и что-то случилось с Законами Физики.
Пожалуй, наиболее правильным будет сказать, что:
Законы Физики определяются окружающей средой.
Поля
Поля, как мы уже увидели, – это особые невидимые свойства пространства, оказывающие влияние на поведение объектов. Житейским примером служит магнитное поле: с ним сталкивался всякий, кто когда-либо брал в руки магнит и исследовал таинственное действие, которое тот оказывает сквозь лист бумаги на скрепки, булавки и гвозди. Многие помнят школьный опыт с железными опилками, образующими вокруг магнита рисунок, повторяющий силовые линии магнитного поля. Магнитное поле имеет в каждой точке пространства направление и напряжённость, определяющую, с какой силой оно действует на кусок железа. Магнитное поле внутри МРТ-аппарата в 10 000 раз сильнее магнитного поля Земли.
Несколько менее знакомое нам по повседневному опыту электрическое поле тесным образом связано с магнитным. Оно не оказывает заметного эффекта на железные предметы, но именно оно ответственно за притяжение маленьких кусочков бумаги наэлектризованным предметом. При трении одного предмета о другой электроны с поверхности первого предмета переходят на поверхность второго, в результате чего предметы приобретают противоположные по знаку электрические заряды. Заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, которое, подобно магнитному, имеет в каждой точке пространства направление и напряжённость. В конечном итоге Законы Физики оказываются переменчивыми, потому что они определяются полями, а поля могут изменяться. Включение магнитного и электрического полей является одним из вариантов изменения законов, но это не единственная возможность модифицировать вакуум – есть и более интересные способы. Например, можно использовать гравитационное поле Эйнштейна, но и это ещё не всё. Вторая половина двадцатого столетия ознаменовалась открытием новых элементарных частиц, новых типов взаимодействий и, как следствие, новых полей, которыми можно заполнить пространство, и они будут оказывать влияние на обычную материю. Однако одно из всех этих полей, а именно – поле Хиггса, будет интересовать нас больше других в плане изучения Ландшафта.
Открытие поля Хиггса[37 - К теоретическому открытию поля Хиггса, помимо самого Питера Хиггса, было причастно ещё множество людей. Среди них француз Роберт Браут и бельгиец Франсуа Энглер, первыми указавшие на необходимость введения подобного поля.] не было открытием в обычном, экспериментальном смысле. Теоретики обнаружили, что без поля Хиггса Стандартная модель оказывается несогласованной. Без него фейнмановские правила могут приводить к бессмысленным результатам типа бесконечной или отрицательной вероятности. Но в конце 1960-х – начале 1970-х годов теоретики показали, что одним из способов «починить» Стандартную модель является добавление в неё ещё одной элементарной частицы – частицы Хиггса. Частица Хиггса, поле Хиггса… Какая связь между полями и частицами заставляет нас давать им одинаковые имена? Идея поля впервые возникла в середине XIX века при изучении электромагнитных явлений. Майкл Фарадей представлял поля в виде гладких возмущений в пространстве, оказывающих влияние на движение электрически заряженных частиц, но само поле не обязано было состоять из частиц. Для Фарадея и развившего его идеи Максвелла мир состоял из частиц и полей, и ни у кого не возникало сомнений, что из них есть что. Но в 1905 году Альберт Эйнштейн, исследуя формулу Планка для излучения абсолютно чёрного тела, предложил нелепую гипотезу. Эйнштейн утверждал, что электромагнитное поле на самом деле состоит из огромного количества невидимых частиц, которые он назвал фотонами, или квантами. Когда квантов мало, они проявляют себя подобно частицам, но когда огромное количество квантов движется скоординированно, они ведут себя как поле – квантовое поле. Это отношение между частицами и полями оказалось всеобщим. Для каждого типа частиц существует своё поле, а для каждого типа поля – своя частица. Поэтому-то поля и частицы часто называются одинаковыми именами. Электромагнитное поле (обобщающее название электрического и магнитного поля) может быть названо фотонным полем. Электроны тоже имеют собственное поле. И кварки, и глюоны – любой персонаж Стандартной модели имеет собственное поле, в том числе и частицы Хиггса.
Я сказал, что Стандартная модель без частиц Хиггса является математическим нонсенсом, но мне следует внести небольшое пояснение. Стандартная модель
Страница 43
ез частиц Хиггса математически последовательна, но только до тех пор, пока все частицы движутся со скоростью света, как фотоны. Частицы, движущиеся со скоростью света, не могут иметь массы, поэтому физики утверждают, что поле Хиггса как раз для того и необходимо, чтобы дать элементарным частицам массу. С моей точки зрения, это неудачная формулировка, но мне не придумать лучшую. В любом случае это важный пример того, как поля влияют на мировые константы.Никто никогда не видел частицу Хиггса, и долгое время не было даже косвенных данных, позволяющих физикам-экспериментаторам сказать, что они её «видели». Только недавно были получены первые результаты, которые можно интерпретировать как обнаружение этой частицы. Собственно, никакой сложности в детектировании частиц Хиггса нет, трудность состоит в первую очередь в генерации их в количестве, достаточном для изучения. Эта проблема не является принципиальной преградой: чтобы рождать такие тяжёлые частицы, как бозон Хиггса, вам просто нужен большой ускоритель. Частицы Хиггса и поле Хиггса настолько важны для успеха Стандартной модели,[38 - Частица настолько важна, что физик Леон Ледерман написал о ней книгу, озаглавленную «Частица Бога» (Ледерман с равным успехом мог бы назвать книгу «Поле Бога», но я считаю, что название «Частица Бога» лучше характеризует её суть).] что никто всерьёз даже не сомневался в их существовании. В то время, как я пишу эту книгу, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) близится к завершению строительство нового ускорителя, который будет способен поставлять нам для исследования частицы Хиггса в огромных количествах. Почти 40 лет прошло с момента, когда частицы Хиггса были впервые предсказаны теоретиками, до момента их экспериментального обнаружения.
Если бы поле Хиггса можно было включать и выключать с такой лёгкостью, как магнитное, мы могли бы изменять, например, массу электрона по своему усмотрению. Увеличение массы привело бы к тому, что атомные электроны вращались ближе к ядру, что, в свою очередь, радикально изменило бы химию. Изменяя массы кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, можно было бы менять свойства ядер или в определённый момент вовсе уничтожать их. Ещё более разрушительным является изменение поля Хиггса в другом направлении – например, это может полностью лишить электрон массы. Слишком лёгкий электрон не сможет оставаться внутри атома. Наверное, это не те эксперименты, которые мы хотели бы ставить над миром, в котором живём, потому что подобные изменения будут иметь катастрофические последствия и сделают мир необитаемым. Значительные изменения в Законах Физики будут фатальными, и мы будем возвращаться к этому сюжету снова и снова.
Изменяя поле Хиггса, мы могли бы значительно разнообразить наш мир: вместе с полем будут меняться законы ядерной и атомной физики. Физик из одного региона не будет признавать Законы Физики другого. Но всё же количество возможных вариаций поля Хиггса является весьма скромным. А что бы произошло, если бы количество изменяемых полей исчислялось многими сотнями? Это подразумевало бы многомерный ландшафт, настолько разнообразный, что в нём можно было бы найти все, что угодно. А заветной мечтой учёного, изучающего такой мир, была бы мечта найти в нём что-то невозможное. Как мы вскоре увидим, это отнюдь не праздные фантазии.
Всякий раз, когда перед математиками или физиками встаёт задача, содержащая несколько переменных, они думают о пространстве, содержащем возможные значения этих переменных. Простым примером является температура воздуха. Представьте себе прямую линию, на которой стоит отметка, обозначающая ноль градусов, рядом с ней ещё одна отметка, обозначающая один градус, далее ещё одна отметка, обозначающая два градуса, и т. д. Линия представляет собой одномерное пространство, содержащее возможные значения температуры. Точка с отметкой 25 градусов будет представлять тёплый летний день, точка с отметкой –25 градусов – морозный зимний. Температурная шкала на обычном бытовом термометре является конкретным представлением этого абстрактного пространства.
Предположим, что в дополнение к термометру за окном кухни у нас также есть барометр для измерения атмосферного давления. Мы могли бы нарисовать две оси: одну для представления температуры, а другую для представления атмосферного давления. Опять же, каждая точка, теперь уже в двумерном пространстве, представляет нам одно из возможных погодных условий. Если бы мы захотели фиксировать ещё больше информации, например влажность воздуха, то могли бы добавить третью координату и представлять состояние погоды в виде точки в трёхмерном пространстве.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (http://www.litres.ru/l-sasskind/kosmicheskiy-landshaft-teoriya-strun-i-illuziya-razumnogo-zamysla-vselennoy-16899175/?lfrom=201227127) на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобил
Страница 44
ного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.notes
Примечания
1
Сасскинд приводит температуру по шкале Фаренгейта: –20 °F = –29 °C. – Примеч. пер.
2
– 60 °F = –51 °C. – Примеч. пер.
3
Курт Каллан – профессор из Принстона.
4
Двойная звезда представляет собой гравитационно-связанную систему из двух звёзд, обращающихся вокруг общего центра масс.
5
Сэмюэль Уилберфорс – англиканский епископ, прозванный Мыльным Сэмом за скользкость в церковных дебатах. Томас Хаксли – английский зоолог, популяризатор науки и защитник эволюционной теории Чарльза Дарвина, прозванный за свои яркие полемические выступления «Бульдогом Дарвина». Мыльный Сэм саркастически спросил Хаксли, кто из его предков, бабушка или дедушка, был мартышкой? Хаксли ответил: «Я бы скорее согласился быть потомком обезьяны, чем продажного болтуна».
6
К римлянам, 1:20. Синодальный перевод. – Примеч. пер.
7
Я не в курсе религиозных убеждений Дэвиса или Гринстайна, но я бы с осторожностью относился к слишком буквальному толкованию их заявлений. Физики часто используют такие термины, как «замысел», «агент» и даже «Бог» в качестве метафоры для обозначения непознанного. Я использовал термин «агент» в популярной статье и до сих пор сожалею об этом. Эйнштейн часто говорил: «Господь утончён, но не злонамерен», «Бог не играет в кости», «Я хочу знать, как Бог создал мир». Большинство комментаторов считают, что Эйнштейн использовал термин «Бог» в качестве метафоры для упорядоченного набора законов природы.
8
Будет ли это предложение вырвано из контекста на одном из религиозных сайтов? Надеюсь, что нет.
9
Для экспертов: слабость гравитационных сил эквивалентна легкости обычных элементарных частиц. Проблема малости масс частиц называется проблемой калибровочной иерархии. Несмотря на наличие интересных идеи, консенсуса в её решении пока нет.
10
Определение машины Руба Голдберга см. в главе 4.
11
Известная также как «тёмная энергия».
12
Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) – британский натуралист, путешественник, географ, биолог и антрополог, современник Дарвина и сооткрыватель механизма естественного отбора. Именно знакомство с записками Уоллеса и сподвигло Дарвина на публикацию своей работы.
13
Слепой часовщик в заглавии книги Ричарда Докинза взят из трактата Уильяма Пейли, доказывавшего, что часы не могут появиться самопроизвольно, а только как результат деятельности разумного существа (часовщика). Докинз в своей книге показывает, что естественный отбор, слепо оперирующий спонтанными вариациями простых исходных форм, может породить не менее сложные конструкции. Эта метафора может быть легко распространена и на процесс создания космоса.
14
Один световой год – это, как можно догадаться, расстояние, которое свет пролетает за один год. Оно составляет приблизительно десять триллионов километров.
15
Термин мультиверсум или мультивселенная используется более широко, чем термин Мегаверсум, но лично я предпочитаю Мегаверсум как более звучный термин. Мои извинения энтузиастам мультивселенной.
16
В нашем мире атомные ядра в тысячи раз тяжелее электронов.
17
Импульс определяется как произведение массы объекта на его скорость.
18
Постоянная Планка обозначается буквой h, и её числовое значение равно 6,626068 ? 10
м
· кг/с.
19
Брайан Грин, «Элегантная Вселенная».
20
Применим или нет редукционизм для исследования разума – вопрос спорный. С моей точки зрения, поведение живой материи подчиняется тем же Законам Физики, что и поведение неживой. Мне не известно ни одного доказательства обратного. С другой стороны, до сих пор никому не удалось полностью объяснить феномен сознания с позиций редукционизма.
21
Помимо авторства «Альманаха простака Ричарда» и «Декларации независимости», Бенджамин Франклин известен и как один из выдающихся учёных XVIII века.
22
Йоги Берра – американский бейсболист. Цитируемую в эпиграфе фразу Берра произнёс, объясняя, как доехать до его дома. На дороге есть развилка, и какой бы путь вы ни выбрали, вы приедете к его дому. – Примеч. пер.
23
Электростатические силы часто называют кулоновскими.
24
Термин «тонкая структура» принесли в физику оптики, изучавшие детали спектра атома водорода. Впервые постоянная тонкой структуры появилась в теории, описывавшей этот спектр.
25
В ответ на это Бор возражал: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что делать».
26
В английском языке буквы, обозначающие кварки, соответствуют английским словам: up, down, strange, charm, bottom и top, но поскольку на русский язык слова up и top переводятся одинаково, как «верхний», равно как и down и bot
Страница 45
om – как «нижний», то во избежание путаницы в русскоязычной литературе принято все кварки, кроме, быть может, странного и очарованного, обозначать латинскими буквами. – Примеч. пер.27
Существование странного кварка оказывает незначительное влияние на свойства нуклонов, но остальные кварки не вносят никакого вклада.
28
Название «глюон» происходит от английского слова glue – клей. – Примеч. пер.
29
Это только необходимый минимум, не включающий числовые параметры, необходимые для космологии или некоторых расширений Стандартной модели. Если включить все дополнительные константы, то их число легко перевалит за сотню.
30
Спектральные линии обсуждаются в главе 5.
31
На самом деле Магеллан не вернулся обратно в Европу. Он погиб на Филиппинах, но оставшимся в живых членам его команды удалось обогнуть земной шар, тем самым доказав, что он действительно является шаром.
32
Сто дюймов для размера телескопа звучит весьма скромно, но это относится только к диаметру зеркала, собирающего свет, а не к общему размеру инструмента. В действительности телескоп обсерватории Маунт-Вильсон был крупнейшим в мире до тех пор, пока в 1949 году не был построен 200-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Паломар.
33
Другое название этого члена, особо любимое журналистами, – тёмная энергия.
34
The Anthropic Cosmological Principle. By John D. Barrow & Frank J. Tipler, Oxford University Press, 1986 (Дж. Барроу и Ф. Типлер, «Антропный космологический принцип»).
35
Прошу прощения за анахронизм. О других галактиках в 1900 году ещё не знали.
36
В главе 8 объясняется, почему навигатор боялся суперсимметрии.
37
К теоретическому открытию поля Хиггса, помимо самого Питера Хиггса, было причастно ещё множество людей. Среди них француз Роберт Браут и бельгиец Франсуа Энглер, первыми указавшие на необходимость введения подобного поля.
38
Частица настолько важна, что физик Леон Ледерман написал о ней книгу, озаглавленную «Частица Бога» (Ледерман с равным успехом мог бы назвать книгу «Поле Бога», но я считаю, что название «Частица Бога» лучше характеризует её суть).
