Теория струн, Мультивселенная

Все изменилось с появлением поразительной новой теории, получившей название теория суперструн. К началу 1980-х гг. физики буквально утонули в море элементарных частиц. Каждый раз, разбивая атом на части при помощи мощного ускорителя частиц, они, к немалому изумлению, обнаруживали, что из расщепленного атома вылетают десятки новых частиц. Такое положение дел настолько обесьсураживало, что Роберт Оппенгеймер заявил: Нобелевскую премию по физике следует отдать тому физику, который за год не откроет ни одной новой частицы! (Энрико Ферми, в ужасе от того, как безудержно плодятся элементарные частицы с греческими буквами в названиях, сказал: «Если бы я был в состоянии запомнить названия всех этих частиц, я стал бы ботаником».) Лишь после десятилетий кропотливой работы этот густонаселенный зоопарк удалось организовать хоть в какую-то систему под названием Стандартная модель. Миллиарды долларов, тяжкий труд тысяч инженеров и физиков и 20 Нобелевских премий позволили сложить мозаику Стандартной модели буквально по кусочкам. Это поистине замечательная теория, соответствующая, насколько можно судить, всем экспериментальным данным субатомной физики.

Но Стандартная модель, несмотря на экспериментальный успех, обладает одним очень серьезным недостатком. Как говорит Стивен Хокинг, «она некрасива и достаточно произвольна». В ней по крайней мере 19 свободных параметров (в том числе масса частицы и сила ее взаимодействия с другими частицами), 36 кварков и антикварков, еще три важные субатомные частицы и их античастицы и множество других субатомных частиц со странными названиями, таких как глюоны Янга-Миллза, бозоны Хиггса, W-бозоны и Z-частицы. Хуже того, Стандартная модель ничего не говорит о гравитации. Трудно поверить, что природа на самом первичном, базовом уровне может быть столь запутанной и в высшей степени неэлегантной. Эту теорию мог бы полюбить только человек, вложивший в нее свою душу. Отсутствия красоты в Стандартной модели оказалось достаточно, чтобы физики захотели заново проанализировать свои представления о природе. Что-то здесь было не так.

Если внимательно рассмотреть развитие физики за последние несколько столетий, окажется, что одним из важнейших достижений последнего из них стало сведение всех фундаментальных физических законов в две великие теории: квантовую теорию (представленную Стандартной моделью) и общую теорию относительности Эйнштейна (которая описывает гравитацию). Замечательно, что вместе эти две теории представляют всю сумму физических знаний на фундаментальном уровне. Первая теория описывает мир очень малого — субатомный квантовый мир, где частицы исполняют свой фантастический танец, возникают из ничего и тут же пропадают снова и к тому же умудряются находиться в двух местах одновременно. Вторая теория описывает мир очень большого; ее интересуют такие предметы, как черные дыры и Большой взрыв; она пользуется языком гладких поверхностей, растянутого полотна и искаженного пространства. Эти теории во всем противоположны друг другу, они используют разную математику, разные аксиомы и разную физическую картину мира. При взгляде на них создается впечатление, что у природы две руки, совершенно не связанных друг с другом. Мало того, все попытки объединить обе теории не привели ни к каким разумным результатам. На протяжении полувека каждый физик, пытавшийся под дулом пистолета поженить квантовую теорию и общую теорию относительности, неожиданно для себя обнаруживал, что при любой попытке добиться своего теория разлетается в клочья и дает в ответ бесконечность, лишенную всякого смысла.

Все изменилось с появлением на сцене теории суперструн, которая утверждает, что электрон и другие субатомные частицы представляют собой не что иное, как различные колебания струны, работающей примерно как крошечная резиновая лента. Если дернуть за натянутую резинку, она будет вибрировать на разные лады — при этом каждая нота соответствует конкретной субатомной частице. Таким образом, теория суперструн объясняет существование сотен субатомных частиц, обнаруженных учеными при помощи ускорителей. Более того, теория Эйнштейна тоже укладывается в эту теорию как проявление одного из самых низкочастотных колебаний.

Теорию струн даже превозносили как пресловутую «теорию всего», ускользавшую от Эйнштейна последние 30 лет его жизни. Эйнштейну нужна была единая понятная теория, которая объединила бы в себе все законы физики и позволила ему «узнать, о чем думает Бог». Если теория струн верно объединила гравитацию и квантовую теорию, го она, возможно, представляет собой величайшее достижение науки за последние 2000 лет — с того самого момента, когда греки впервые задались вопросом: что есть вещество?

Но у теории суперструн есть одна очень странная особенность: эти самые струны могут колебаться только в пространстве-времени определенной размерности — а именно в десятимерном. Если попытаться сформулировать теорию струн для другого числа измерений, ничего не выйдет; математический аппарат просто развалится.

Разумеется, наша Вселенная четырехмерна (в ней три пространственных измерений и одно временное). Это означает, что остальные шесть измерений должны быть каким-то образом схлопнуты, или свернуты, подобно пятому измерению Калуцы.

В последнее время физики начали всерьез задумываться о том, чтобы доказать или, наоборот, опровергнуть существование этих высших измерений. Возможно, простейший способ убедиться в их существовании — это найти отклонения от ньютоновского закона всемирного тяготения. Из школы мы знаем, что сила притяжения Земли убывает с расстоянием. Если говорить более точно, сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, разделяющего объекты. Но это верно только потому, что мы живем в трехмерном мире. (Представьте себе сферу вокруг Земли. Сила притяжения Земли равномерно распределяется по площади этой сферы, поэтому чем больше сфера, тем слабее сила притяжения. Но площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату ее радиуса, поэтому и сила притяжения, распределенная по поверхности сферы, должна уменьшаться пропорционально квадрату радиуса.)

Но если бы во Вселенной было четыре пространственных измерения, то сила притяжения должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. Вообще, если бы вселенная имела п пространственных измерений, гравитация в ней убывала бы пропорционально (n-1)-й степени расстояния. Знаменитый закон Ньютона о том, что сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, проверен на астрономических расстояниях с большой точностью; именно поэтому мы можем направлять космические зонды с поразительной точностью сквозь щели в кольцах Сатурна. Но до недавнего времени никто не проверял этот закон в лаборатории, на очень малых расстояниях.

Первый эксперимент, призванный проверить закон обратной пропорциональности силы притяжения квадрату расстояния, был проведен в 2003 г. в Университете Колорадо. Результат эксперимента был отрицательным: по всей видимости, параллельной вселенной не существует, по крайней мере, в Колорадо ее нет. Но отрицательный результат лишь раздразнил аппетиты других физиков, которые теперь надеются повторить этот эксперимент с еще большей точностью.

Большой адронный коллайдер, который в 2008 г. вводится в строй недалеко от Женевы, будет участвовать в поисках частиц нового типа — так называемых суперчастиц, которые представляют собой высшие моды колебания суперструн (все, что вы видите вокруг, представляет собой всего лишь низшие частоты колебания суперструн). Если БАК действительно обнаружит суперчастицы, это может означать начало настоящей революции в наших взглядах на Вселенную. В новой картине Вселенной Стандартная модель попросту будет представлять низшие частоты колебания суперструн.

Кип Торн говорит: «К 2020 г. физики будут уже понимать законы квантовой гравитации, и окажется, что они являются вариантом теории струн».

Кроме высших измерений теория струн предсказывает существование и другой версии параллельных вселенных; речь идет о Мультивселенной.

=====Мультивселенная =====

Один вопрос по поводу теории струн по-прежнему не дает покоя: почему эта теория существует ни много ни мало — в пяти версиях? Действительно, теория струн способна объединить квантовую теорию и гравитацию, но сделать это, как оказалось, можно пятью способами. Это довольно неприятно, ведь физики в большинстве своем мечтали о единой и единственной «теории всего». Эйнштейн, к примеру, хотел узнать, «был ли у Бога выбор при сотворении Вселенной». Он был убежден, что единая теория поля, или теория всего, должна быть уникальна. Так почему же сегодня мы видим пять версий теории струн?

В 1994 г. в научном мире взорвалась еще одна бомба. Эдвард Уиттен из Института перспективных исследований в Принстоне и Пол Таунсенд из Кембриджского университета выдвинули предположение о том, что все пять теорий струн на самом деле представляют собой одну теорию — но только если добавить одиннадцатое измерение. При взгляде из одиннадцатого измерения все пять теорий сольются в одну! Получается, что теория действительно уникальна, но только если в качестве наблюдательного пункта выбрать вершину одиннадцатого измерения.

В одиннадцатом измерении может существовать новый математический объект, получивший название «мембрана» (к примеру, она может быть подобна поверхности сферы). Но — поразительное наблюдение — при переходе от 11 измерений к 10 из единственной мембраны появляются все пять струнных теорий — и получается, что они представляют всего лишь разные пути перевода мембраны из одиннадцатимерного мира в десятимерный.

(В качестве наглядной иллюстрации представьте себе надувной мяч с перехватывающей его по экватору резинкой. Представьте, что вы возьмете ножницы и срежете весь мяч по обе стороны от резинки. Останется только сама резинка, или струна. Точно так же, если свернуть одиннадцатое измерение, от мембраны останется только «экватор», он же струна. Математически существует пять способов убрать «мяч», или мембрану, при свертывании «лишнего» измерения—и соответственно в десятимерном пространстве мы получаем пять разных струнных теорий.)

Одиннадцатое измерение позволило нам по-новому увидеть всю картину. Возникло также предположение о том, что наша Вселенная — тоже мембрана, плавающая в одиннадцатимерном пространстве-времени. Более того, не все измерения при этом должны быть свернуты до бесконечно малых величин. Наоборот, некоторые из них могут быть бесконечными.

А что, если наша Вселенная, вместе с другими вселенными, существует в некой единой Мультивселенной? Представьте себе множество парящих в воздухе мыльных пузырей, или мембран. Каждый мыльный пузырь олицетворяет собой целую вселенную, плавающую в одиннадцатимерном гиперпространстве большего размера. Пузыри способны объединяться друг с другом или разделяться на несколько пузырей, они способны даже возникать и исчезать. Не исключено, что мы все живем на оболочке одного такого пузыря-вселенной.

Макс Тегмарк из MIT считает, что через 50 лет «существование этих "параллельных вселенных" будет вызывать не больше сомнений, чем существование иных галактик, которые тогда называли "островными вселенными", вызывало сомнений 100 лет назад».

Сколько вселенных предсказывает теория струн? Довольно неприятной чертой теории струн является как раз тот факт, что вселенных может быть множество — многие триллионы вселенных, каждая из которых вполне согласуется с теорией относительности и квантовой теорией. Согласно одной из оценок, может существовать целый гугол таких вселенных. (Гугол—это единица со ста нулями.]

В обычных условиях связь между вселенными невозможна. Атомы нашего тела подобны мухам на липкой бумаге. Мы можем свободно передвигаться в трех измерениях нашей вселенной-мембраны, но не способны «выпрыгнуть» из нее в гиперпространство, потому что приклеены к нашей Вселенной. Но гравитация, которая представляет собой искажение пространства-времени, может свободно плавать в пространстве между вселенными.

Существует теория, утверждающая, что скрытая масса, или темная материя, — некое невидимое вещество, окружающее нашу Галактику, — возможно, представляет собой обычное вещество в параллельной вселенной. Как говорится еще в романе Герберта Уэллса «Человек-невидимка», наблюдатель будет невидим для нас, если будет находиться прямо над нами в четвертом измерении. Представьте себе два параллельных листа бумаги и наблюдателя, который находится на втором листе и видит под собой первый.

Существуют и другие предположения — к примеру, что скрытая масса может представлять собой обычную галактику, парящую прямо над нами в другой вселенной-мембране. Мы ощущаем гравитацию этой галактики — ведь гравитация способна проникнуть всюду, даже между вселенными, — но сама галактика остается для нас невидимой, потому что любой свет заперт в своей вселенной. Таким образом, мы имеем невидимую галактику, обладающую тем не менее массой, что вполне соответствует описанию скрытой массы. (Еще одна возможность состоит в том, что скрытая масса представляет собой следующую моду колебаний суперструны. Все, что мы видим вокруг, представляет собой не что иное, как низшую моду этих самых колебаний. Не исключено, что темная материя — набор следующих по частоте колебаний суперструны.)

Конечно, большинство параллельных вселенных, скорее всего, мертвы и представляют собой бесформенное скопление субатомных частиц, таких как электроны и нейтрино. В этих вселенных протон может быть нестабилен, поэтому все вещество в том виде, в каком мы его знаем, будет постепенно разлагаться и растворяться в пространстве. Вероятно, во многих вселенных сложное вещество, состоящее из атомов и молекул, просто не может существовать.

В других параллельных вселенных, наоборот, сложные формы материи играют значительно большую роль, чем мы можем себе представить. Вместо одного типа атомов, которые строятся из протонов, нейтронов и электронов, стабильное вещество там может существовать в поразительном разнообразии форм и типов.

Мембранные вселенные способны также сталкиваться между собой, порождая космические фейерверки. Некоторые физики в Принстоне считают, что наша Вселенная зародилась, возможно, при столкновении двух гигантских мембран, которое произошло 13,7 млрд лет назад. Они считают, что.ударная волна от этого столкновения и стала причиной возникновения нашей Вселенной. Интересно, что при рассмотрении экспериментально проверяемых следствий этой необычной идеи получаются результаты, которые вполне согласуются с результатами работы спутника WMAP, находящегося в настоящее время на околоземной орбите. (Эта теория известна как теория «Большого всплеска».)

В пользу теории Мультивселенной говорит по крайней мере один факт. Если проанализировать основные физические константы, можно без труда обнаружить, что они очень точно «настроены» на то, чтобы в этих условиях могла существовать жизнь. Стоит увеличить ядерные силы — и звезды будут выгорать слишком быстро, чтобы жизнь успела возникнуть и развиться. Стоит их уменьшить — и звезды не будут вспыхивать вообще; естественно, жизнь в этом случае тоже не сможет существовать. Если увеличить силу тяготения, наша Вселенная быстро умрет в Большом сжатии; если ее немного уменьшить, она быстро расширится и замерзнет. Вообще, для того, чтобы в нашей Вселенной возникли подходящие для жизни условия, необходимы были десятки «случайностей», имеющих отношение к мировым константам. Очевидно, наша Вселенная по многим параметрам находится в «зоне жизни»; очень многое в ней «точно подобрано» для того, чтобы жизнь могла зародиться и существовать. Поэтому нам придется сделать вывод либо о существовании некоего Бога, который намеренно позаботился о той, чтобы наша Вселенная получилась такая, какая надо, либо о существовании миллиардов параллельных вселенных, многие из которых мертвы. Как сказал Фримен Дайсон, «Вселенная, похоже, заранее знала, что мы появимся».

Сэр Мартин Рис из Кембриджского университета считает, что такая точная настройка всех параметров надежно свидетельствует в пользу Мультивселенной. Все пять главных физических констант (таких, как сила фундаментальных взаимодействий) в нашей Вселенной подобраны очень точно и годятся для жизни, и он убежден, что кроме нашей существует бесконечное число вселенных, в которых физические константы не совместимы с жизнью.

Это так называемый антропный принцип, В слабом варианте этот принцип просто утверждает, что параметры нашей Вселенной точно настроены именно для жизни (и в первую очередь потому, что мы существуем и можем сделать такой вывод).

В сильном варианте антропный принцип утверждает, что наше существование, возможно, является побочным результатом чьих-то целенаправленных действий. Большинство космологов готово согласиться со слабой версией антропного принципа, но вопрос о том, что представляет собой сам принцип — новое слово в науке, открывающее дорогу к новым открытиям и разработкам, или просто утверждение очевидного.

=====Квантовая теория =====

В дополнение к высшим измерениям и Мультивселенной существует еще один тип параллельной вселенной — тот самый, что доставлял головную боль Эйнштейну и что продолжает мучить физиков и сегодня. Это квантовая вселенная, которую предсказывает обычная квантовая механика. Парадоксы квантовой физики представляются чрезвычайно трудноразрешимыми, и нобелевский лауреат Роберт Фейнман любил говорить, что ни кто на самом деле не понимает квантовой теории.

Да, квантовая теория — самая успешная теория, когда-либо разработанная человеческим разумом; да, точность ее предсказаний часто доходит до одной десятимиллиардной. Тем не менее эта теория построена на песке и полностью зависит от случая, удачи и вероятности. В отличие от теории Ньютона, которая дает точные и ясные ответы на вопросы о движении объектов, квантовая теория в состоянии назвать только вероятности. Чудеса современного мира — лазеры, Интернет, компьютеры, телевидение, сотовые телефоны, радары, микроволновые печи и т. п. — базируются на зыбучих песках вероятностей.

Возможно, самым наглядным примером этого может послужить знаменитая проблема «кошки Шрёдингера» (сформулированная одним из основателей квантовой теории, который, как ни странно, предложил эту проблему в надежде разгромить вероятностную ее интерпретацию). Шрёдингер очень злился на такую интерпретацию своей теории; он говорил: «Если действительно придется всерьез относиться к этим чертовым квантовым переходам, то я пожалею, что вообще принимал участие в этом деле».

Парадокс кошки Шрёдингера заключается в следующем: поместим кошку в запечатанный ящик. Пусть в ящике имеется заряженное ружье, нацеленное на кошку (причем спусковой крючок ружья связан со счетчиком Гейгера, рядом с которым находится кусок урана). В обычных обстоятельствах, если атом урана распадется, счетчик Гейгера сработает, ружье выстрелит, и кошка будет убита. Атом урана либо распадется, либо нет. Кошка либо будет жить, либо умрет. Это соответствует здравому смыслу.

Но в квантовой теории мы не можем знать наверняка, распался атом урана или нет. Поэтому мы должны сложить эти две возможности, т.е. сложить волновую функцию распавшегося атома с волновой функцией целого атома. Но это означает, что для описания кошки нам придется сложить два ее состояния. Так что кошка у нас окажется ни живой, ни мертвой. Она будет представлена как сумма живой кошки и мертвой кошки!

Фейнман однажды написал, что квантово-механическое описание природы «абсурдно с точки зрения здравого смысла, и при этом оно полностью согласуется с экспериментом — так что, я надеюсь, вы сможете принять эту природу в ее абсурдном образе».

Эйнштейну и Шрёдингеру такой взгляд представлялся нелепым. Эйнштейн верил в «объективную реальность», здравый смысл, ньютоновский взгляд на мир, где объекты существовали в одном определенном состоянии, а не как сумма множества возможных состояний. Тем не менее в основе современной цивилизации лежит именно такая необычная интерпретация. Без нее не смогла бы существовать современная электроника (да и атомы нашего тела тоже). (В обычном мире мы иногда шутим, что невозможно быть «немножко беременной». Но в квантовом мире дело обстоит еще хуже. Женщина в нем существовала бы как сумма одновременно всех возможных состояний ее тела: она была бы одновременно небеременной, беременной, девочкой, старухой, девушкой, деловой женщиной и т. п.)

Существует несколько способов разрешить этот неприятный парадокс. Основатели квантовой теории верили в так называемую копенгагенскую интерпретацию и считали, что, как только вы откроете ящик, вы сможете провести измерения и определить, жива кошка или мертва. После этого — все. Волновая функция «зафиксировалась» в одном из состояний; после этого здравый смысл берет верх. Волны исчезают, остаются одни частицы. Это означает, что кошка наконец приходит в определенное состояние (или живое, или мертвое), и ее уже не нельзя описывать волновыми функциями.

Таким образом, существует невидимый барьер, разделяющий причудливый мир атомов и макроскопический мир людей, В атомном мире все описывается через волны вероятностей, и атомы могут находиться в нескольких местах одновременно. Чем больше волновая функция частицы в данной точке, тем больше вероятность обнаружить частицу именно здесь. Но в мире больших объектов волновые функции уже зафиксированы, и объекты существуют в определенном состоянии. В макромире царит здравый смысл.

(Когда к Эйнштейну приходили гости, он показывал на Луну и спрашивал: «Неужели Луна существует потому, что на нее смотрит мышь?» В каком-то смысле копенгагенская школа давала на этот вопрос положительный ответ.)

В большинстве серьезных учебников по физике с религиозной точностью излагается точка зрения копенгагенской школы, но многие физики-исследователи от нее уже отказались. Теперь у нас есть нанотехнологии, мы можем оперировать отдельными атомами — и получается, что атомами, которые то возникают, то исчезают, тоже можно произвольно манипулировать, хотя бы при помощи туннельного сканирующего микроскопа. Таким образом, невидимой «стены», разделяющей микромир и макромир, не существует. Мир един.

В настоящее время у физиков нет единого мнения о том, как разрешить эту проблему, лежащую в самом сердце современной физики. На конференциях происходят жаркие споры, сталкиваются многочисленные теории. Кое-кто полагает, что должно существовать некое «космическое сознание», пронизывающее Вселенную. Объекты возникают, начинают существовать, когда производятся измерения, а измерения производят существа, обладающие сознанием. Следовательно, должно существовать единое космическое сознание, которое пронизывает всю Вселенную и определяет, в каком состоянии мы находимся. Некоторые подобно нобелевскому лауреату Юджину Вигнеру утверждают, что это доказывает существование Бога или, по крайней мере, некоего космического сознания. (Вигнер писал: «Невозможно было сформулировать законы [квантовой теории] совершенно последовательно без ссылки на сознание». Он даже проявил интерес к ведической философии индуизма, согласно которой нашу Вселенную пронизывает единое всеобъемлющее сознание.)

Еще один взгляд на парадокс кошки — идея «множественности миров»[30], предложенная Хью Эвереттом в 1957 г. Эта теория утверждает, что Вселенная просто расщепляется надвое, причем в одной половине кошка остается живой, в другой — мертвой. Это означает, что каждый раз, когда происходит квантовое событие, параллельные вселенные размножаются или ветвятся. Существует любая вселенная, какая только может существовать. Чем причудливее вселенная, тем она менее вероятна, но все же такие вселенные существуют. Это означает, что существует параллельный мир, где нацисты выиграли Вторую мировую войну, и мир, где Великая испанская армада не была разбита и все теперь говорят по-испански. Другими словами, волновые функции никогда не схлопываются и не фиксируются в каком-то определенном состоянии. Они продолжают жить своей жизнью, а Вселенная жизнерадостно ветвится и расщепляется на бесконечное число параллельных вселенных.

Физик Алан Гут из Массачусетского технологического института говорит: «Существует вселенная, где Элвис до сих пор жив, а Альберт Гор стал президентом». Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек говорит: «Нас мучает сознание того, что бесчисленное количество наших почти точных копий живет своей параллельной жизнью и что каждое мгновение возникает еще больше наших дублей, чтобы разделить с нами множество вариантов нашего будущего».

В настоящее время среди физиков набирает популярность концепция так называемой декогерентности. Эта теория утверждает, что все параллельные вселенные возможны, но наша волновая функция потеряла когерентность с ними (т.е. уже не колеблется в унисон с другими вселенными) и потому не может с ними взаимодействовать. Это означает, что вы в собственной гостиной сосуществуете с волновыми функциями динозавров, инопланетных пришельцев, пиратов, единорогов и каждый из обитателей свято верит в то, что именно его вселенная является «настоящей»; но все эти сосуществующие вселенные больше не «настроены в тон» друг с другом.

Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сравнивает такую ситуацию с настройкой радиоприемника. Вы прекрасно знаете, что ваша гостиная буквально затоплена сигналами десятков радиостанций со всех концов страны и мира. Но ваше радио настраивается только на одну частоту и, соответственно, только на одну станцию. При этом она «теряет когерентность» с остальными передающими станциями. (Суммируя, Вайнберг замечает, что концепция множественности миров — «убогая идея, но все остальные еще хуже».)

Подведем итог. Существует ли зловещая Федерация планет, которая грабит более слабые планеты и убивает без разбору своих врагов? Возможно, существует, но, если это так, мы потеряли когерентность с этой вселенной.

=====Квантовые вселенные =====

Хью Эверетт, конечно, пытался обсуждать свою теорию «множественности миров» с другими физиками, но получал в ответ только удивление или безразличие. Один из физиков, Брайс Девитт из Техасского университета, даже выступил против теории Эверетта, сказав: «Я просто не в состоянии почувствовать себя расщепленным». Но Эверетту такая реакция напомнила реакцию критиков Галилея, говоривших, что они не ощущают движения Земли. (Со временем Девитт перешел на сторону Эверетта и стал одним из ведущих сторонников этой теории.)

В течение нескольких десятилетий теория множественности миров прозябала в безвестности. Она просто казалась слишком фантастичной, чтобы быть верной. Джон Уилер, принстонский консультант Эверетта, в конце концов пришел к выводу, что эта концепция тянет за собой слишком много «лишнего багажа». Но в какой-то момент теория Эверетта неожиданно вошла в моду и сейчас она пользуется в мире физики серьезным интересом. Дело в том, что физики в настоящий момент пытаются применить квантовую теорию к последней области, которая до сих пор оставалась «неквантованной»: к самой Вселенной. А попытка применить принцип неопределенности ко всей Вселенной в целом естественным образом вызывает к жизни понятие Мультивселенной.

Понятие «квантовой космологии» на первый взгляд представляется терминологически противоречивым: ведь квантовая теория имеет дело с крохотным миром атомов, а в космологии идет речь о Вселенной в целом. Но подумайте вот о чем: в момент Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше электрона. Любой физик согласится, что электрон следует рассматривать с точки зрения квантовой теории; это означает, что электрон описывается вероятностным волновым уравнением (уравнением Дирака) и может существовать в нескольких параллельных состояниях. Но если электрон следует квантовать, а Вселенная была когда-то меньше электрона, значит, Вселенная тоже должна квантоваться и существовать в параллельных состояниях. Значит, эта теория естественным образом ведет к представлению о множественности миров.

Однако копенгагенская интерпретация Нильса Бора в приложении к целой Вселенной сталкивается с серьезными трудностями. Вообще, копенгагенская интерпретация, хотя ее и изучают в каждом курсе квантовой механики для аспирантов, нуждается в «наблюдателе», наблюдения которого, собственно, и вызывают схлопывание волновой функции. Получается, что для фиксации макромира в определенном состоянии процесс наблюдения совершенно необходим. Но как можно находиться «вне» Вселенной и наблюдать за Вселенной со стороны? Если Вселенную описывает некая волновая функция, то как может «внешний» наблюдатель определить конкретное состояние Вселенной и заставить эту функцию схлопнуться? Более того, некоторые ученые считают невозможность пронаблюдать Вселенную «извне» критическим, даже фатальным недостатком копенгагенской интерпретации.

В концепции «множественных миров» эта проблема решается очень просто: Вселенная просто существует одновременно во множестве параллельных состояний, которые определяются главной волновой функцией, известной под названием волновая функция Вселенной. Согласно квантовой космологии, Вселенная возникла как квантовая флуктуация вакуума, т.е. как крошечный пузырек пространственно-временной пены. Большинство новорожденных вселенных пространственно-временной пены переживает большой взрыв, а затем сразу — большое сжатие. Это означает, что даже в «пустоте» кипит непрекращающаяся активность, возникают и тут же пропадают крошечные вселенные, но масштаб этих событий слишком мал для наших грубых приборов. Однажды по какой-то причине один из пузырьков пространственно-временной пены не схлопнулся обратно и не исчез в собственном Большом сжатии, а продолжал расширяться.

Это и была наша Вселенная. Если послушать Алана Гута, то получится, что вся наша Вселенная — одна большая халява.

В квантовой космологии физики берут для начала аналог уравнения Шрёдингера, описывающего волновые функции электронов и атомов. Они используют также уравнение Девитта-Уилера, действующего на «волновой функции Вселенной». Обычно волновая функция Шрёдингера определена в каждой точке пространства и времени, поэтому мы можем вычислить вероятность обнаружения электрона в любой заданной точке пространства и времени. Но «волновая функция Вселенной» определена на множестве всех возможных вселенных. Если окажется, что эта волновая функция для конкретной вселенной велика, это будет означать, что данная Вселенная с большой вероятностью находится именно в этом состоянии.

Хокинг поддерживает именно эту точку зрения. Он утверждает, что наша Вселенная особая, она уникальна и отличается от всех прочих вселенных. Если волновая функция нашей Вселенной велика, то для большинства остальных она почти равна нулю. Получается, что существует ненулевая, но очень небольшая вероятность того, что в Мультивселенной могут существовать и другие вселенные, кроме нашей, но наша Вселенная существует с максимальной вероятностью. Вообще, Хокинг пытается таким образом логически обосновать явление инфляции. В этой картине мира вселенная, в которой начинается процесс инфляции, просто более вероятна, чем вселенная, где ничего подобного не происходит, поэтому в нашей Вселенной такой процесс имел место.

Теория о происхождении нашей Вселенной из «пустоты» пространственно-временной пены на первый взгляд представляется совершенно непроверяемой; тем не менее она согласуется с несколькими простыми наблюдениями. Во-первых, многие физики указывали на тот поразительный факт, что сумма положительного и отрицательного электрического заряда в нашей Вселенной равняется нулю — по крайней мере в пределах экспериментальной погрешности. Нам кажется естественным, что доминирующей силой в космосе является гравитация, но ведь происходит это лишь потому, что отрицательные и положительные заряды в точности компенсируют друг друга. Если бы на Земле существовал хотя бы малейший дисбаланс между положительными и отрицательными зарядами, электрические силы, вполне возможно, преодолели бы силы гравитационного притяжения, связывающие Землю воедино, и просто разорвали бы нашу планету. Точное равновесие между суммарным положительным и отрицательным зарядами можно легко объяснить, в частности, тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым электрическим зарядом.

Во-вторых, наша Вселенная обладает нулевым спином. Курт Гёдель много лет пытался доказать, что наша Вселенная вращается, путем анализа и суммирования спинов различных галактик, но на сегодняшний день астрономы убеждены: суммарный спин нашей Вселенной равен нулю. Опять же этот факт можно легко объяснить тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым спином.

В-третьих, возникновение Вселенной из ничего помогло бы объяснить, почему суммарное содержание в ней вещества-энергии так мало, а возможно, вообще равно нулю. Если сложить положительную энергию вещества и отрицательную энергию, связанную с гравитацией, то, судя по всему, они в точности скомпенсируют друг друга. Согласно общей теории относительности, если Вселенная замкнута и конечна, то суммарное количество вещества-энергии в ней должно равняться в точности нулю. (Если Вселенная незамкнута и бесконечна, это не обязательно верно, но инфляционная теория указывает все же, что суммарное количество вещества-энергии в нашей Вселенной чрезвычайно мало.)

=====Контакт между вселенными =====

Все это оставляет открытым один интересный вопрос. Если физики не могут исключить возможность существования нескольких типов параллельных вселенных, то можно ли вступить с ними в контакт? Посетить их? Или, может быть, существа из других вселенных уже бывали в нашем мире?

Контакт с другими квантовыми вселенными, которые потеряли синхронность с нашей, представляется весьма маловероятным. Причина того, что наша Вселенная потеряла синхронность с другими вселенными, заключается в том, что наши атомы постоянно сталкивались с другими атомами окружающего мира. Каждый раз при столкновении волновая функция атома слегка «сжимается»; а значит, число параллельных вселенных уменьшается. Каждое столкновение уменьшает число возможных вариантов. Триллионы подобных атомных «мини-коллапсов» создают в результате иллюзию того, что все атомы нашего тела полностью схлопнулись и застыли в определенном состоянии. «Объективная реальность» Эйнштейна — всего лишь иллюзия, возникающая благодаря тому, что громадное число атомов в нашем теле постоянно сталкивается друг с другом; и при каждом таком столкновении уменьшается количество возможных вселенных.

Эту ситуацию можно сравнить с расфокусированным изображением в объективе фотокамеры. Точно так же и в микромире все выглядит переменчивым и неопределенным. Но стоит вам чуть подправить фокусировку камеры, и на изображении появляются новые детали; с каждой поправкой картинка в целом становится все резче и резче. Так и триллионы крохотных столкновений атомов с соседними атомами раз за разом уменьшают число возможных вселенных. Таким образом, мы плавно переходим от переменчивого микромира к стабильному макромиру.

Поэтому вероятность взаимодействия с другой, подобной нашей, квантовой вселенной если и не равняется нулю, то стремительно падает вместе с ростом числа атомов в вашем теле. Но атомов в каждом из нас триллионы и триллионы, поэтому шанс наладить связь с другой вселенной, населенной динозаврами или инопланетянами, бесконечно мал. Можно посчитать, что ждать подобного события придется много дольше, чем будет существовать Вселенная.

Итак, мы не можем полностью исключить контакт с параллельными квантовыми вселенными, но очевидно, что событие это будет чрезвычайно редким — ведь наша Вселенная утратила когерентность с ними. Но в космологии мы встречаем и другой тип параллельной вселенной: это Мультивселенная, которая состоит из вселенных, сосуществующих одна с другой подобно мыльным пузырям в пенной ванне. Контакт с иной вселенной внутри Мультивселенной — совсем другая история. Это, безусловно, трудная проблема, но не исключено, что цивилизация III типа сумеет решить ее.

Как мы уже обсуждали, для того чтобы открыть дыру в пространстве или увеличить пространственно-временную пену, необходима энергия, сравнимая по порядку величины с планковской энергией, при которой рушатся вообще все известные физические законы. Пространство и время при этой энергии нестабильны, что открывает возможность покинуть нашу Вселенную (предполагая, разумеется, что иные вселенные существуют и мы не погибнем в процессе перехода).

Вопрос этот, вообще говоря, нельзя назвать чисто академическим, потому что когда-нибудь перед разумной жизнью во Вселенной обязательно встанет проблема гибели Вселенной. В конце концов теория Мультивселенной может оказаться спасительной для всей разумной жизни нашей Вселенной, Недавно полученные со спутника WMAP данные подтверждают тот факт, что Вселенная расширяется с ускорением, и не исключено, что когда-нибудь всем нам будет грозить гибель в виде так называемого Большого мороза. Со временем вся Вселенная почернеет; все звезды в небесах погаснут и во Вселенной останутся только мертвые звезды, нейтронные звезды и черные дыры. Даже атомы наших тел, возможно, начнут распадаться. Температура упадет почти до абсолютного нуля, и жизнь станет невозможна.

По мере приближения Вселенной к этой точке продвинутая цивилизация, оказавшаяся перед лицом окончательной гибели своего мира, вполне может задуматься о переселении в иную вселенную. Выбор у этих существ будет невелик — замерзнуть насмерть или покинуть этот мир. Законы физики станут смертным приговором для любой разумной жизни — но эти же законы, возможно, предоставят разумным существам узенькую лазейку.

Такой цивилизации придется обуздать энергию гигантских ускорителей и лазерных лучей, равных по мощности целой солнечной системе или даже звездному скоплению, и сосредоточить ее в одной-единственной точке, чтобы получить легендарную планковскую энергию. Возможно, этого будет достаточно, чтобы открыть кротовую нору или путь в иную вселенную. Не исключено, что цивилизация III типа использует подвластную ей колоссальную энергию, чтобы создать кротовую нору и уйти через нее в другую вселенную, оставив собственную Вселенную умирать и начав в новом доме новую жизнь.

=====Новорожденная вселенная в лаборатории? =====

Некоторые идеи представляются поначалу практически неосуществимыми, но физики тем не менее рассматривают их вполне серьезно. Если, к примеру, мы попытаемся понять причину и ход Большого взрыва, нам придется тщательно проанализировать условия, которые могли дать этому явлению первоначальный толчок. Другими словами, нам придется задаться вопросом: «Как изготовить новорожденную вселенную в лаборатории?» Андрей Линде из Стэнфордского университета, один из создателей концепции инфляционной вселенной, говорит, что если мы научимся создавать новорожденные вселенные, то, «возможно, нам пора будет заново определить Бога как существо более сложное, чем просто творец Вселенной».

Сама по себе идея не нова. Много лет назад, когда физики вычислили энергию, необходимую для запуска Большого взрыва, «люди немедленно начали интересоваться, что произойдет, если в лаборатории сосредоточить большое количество энергии в одной точке — ну, скажем, выстрелить одновременно из множества пушек. Можно ли сконцентрировать достаточно энергии для запуска мини-варианты Большого взрыва?» — спрашивает Линде.

Если вы сумеете сосредоточить достаточное количество энергии в одной точке, то максимум, что вы получите, — это коллапс пространства-времени и черную дыру. Но в 1981 г. Алан Гут из Массачусетского технологического института и Андрей Линде предложили теорию «инфляционной вселенной», которая за прошедшее с той поры время привлекла к себе громадный интерес космологов. Согласно этой теории, Большой взрыв начался с фазы сверхскоростного расширения, гораздо более быстрой, чем считалось ранее. (Концепция инфляционной вселенной решает многие застарелые проблемы космологии — объясняет, к примеру, почему Вселенная настолько однородна. Куда, в какую бы точку ночного неба мы ни посмотрели, везде видим совершенно одинаковую однородную Вселенную, хотя после Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы отдаленные ее части успели побывать в контакте. Ответ на эту загадку, согласно инфляционной теории, заключается в том, что вся видимая Вселенная образовалась из крохотного и относительно однородного «кусочка» пространства-времени.) Пытаясь объяснить начальный толчок, Гут предположил, что в начале времен существовали крохотные пузырьки пространства-времени, один из которых чрезвычайно сильно раздулся и превратился в сегодняшнюю Вселенную.

Теория инфляционной Вселенной одним махом ответила на множество космологических вопросов. Более того, она согласуется со всеми новыми данными, полученными со спутников СОВЕ и WMAP. Это, бесспорно, ведущий кандидат на роль теории Большого взрыва.

Но теория инфляционной Вселенной поднимает и множество «неудобных» вопросов. Почему этот пузырек начал раздуваться? Почему сверхскоростное расширение прекратилось — а именно это, вообще говоря, стало причиной возникновения современной Вселенной? Если инфляционные процессы начались однажды, не могут ли они возникнуть снова? Как ни странно, хотя инфляционный сценарий представляет собой ведущую космологическую теорию, о причинах начала и прекращения инфляции почти ничего не известно.

Пытаясь найти ответ на эти мучительные вопросы, Алан Гут и Эдвард Фахри из MIT в 1987 г. задали еще один гипотетический вопрос: «Как могла бы высокоразвитая цивилизация заставить раздуваться собственную Вселенную?» Они считают, что ответ на этот вопрос позволил бы, возможно, ответить и на более глубокий вопрос: «Почему вообще началась инфляция Вселенной?»

Они обнаружили, что, если сосредоточить достаточное количество энергии в одной точке, там спонтанно будут возникать крохотные пузырьки пространства-времени. Но если эти пузырьки будут слишком маленькими, они снова исчезнут и пропадут в пространственно-временной пене. Чтобы иметь возможность раздуться до полноценной вселенной, пузырек должен быть достаточно большим.

Снаружи рождение новой вселенной выглядело бы не слишком впечатляюще — возможно, не страшнее взрыва 500-килотонной ядерной бомбы. Выглядело бы все так, как будто маленький пузырек исчез из имеющейся вселенной, оставив после себя небольшой ядерный взрыв. Но внутри пузырька при этом могла бы раздуться совершенно новая вселенная. Представьте себе мыльный пузырь, который расщепляется на два или порождает рядом крошечный новорожденный «дочерний» пузырек. Иногда этот крошечный мыльный пузырек стремительно раздувается в совершенно новый полноценный мыльный пузырь. Точно так же, находясь внутри новорожденной вселенной, вы увидели бы невероятный взрыв пространства-времени и возникновение целой вселенной.

После 1987 г. было предложено множество теорий, призванных выяснить, сможет ли подпитка энергией превратить крупный пузырек в целую вселенную. Самой общепринятой, пожалуй, является теория о том, что неизвестная пока частица по имени «инфлатон» дестабилизирует пространство-время и заставляет пузырьки формироваться и раздуваться.

Последнее противоречие было выявлено в 2006 г., когда физики начали всерьез рассматривать новое предложение «запускать» рост новорожденной вселенной при помощи монополя. Хотя до сих пор монополи — частицы только с одним магнитным полюсом, северным или южным, — никто никогда не видел, считается, что первое время именно они преобладали в молодой Вселенной. Монополи настолько массивны, что их чрезвычайно трудно создать в лаборатории; но не исключено, что именно массивность позволит им при закачке дополнительной энергии «запустить» процесс инфляции новорожденной вселенной и превращения ее в полноценную вселенную.

Зачем физикам понадобилось создавать вселенные? Линде говорит: «В перспективе каждый из нас сможет стать богом». Но для стремления непременно создать новую вселенную есть и более реальная причина: возможно, в конце концов это поможет нам уцелеть при неизбежной смерти нашей Вселенной.

=====Эволюция вселенных? =====

Некоторые физики склонны уводить эту идею еще дальше к границам научной фантастики; они задаются вопросом, не приложил ли разум «руку» к созданию нашей Вселенной?

В картине мира, соответствующей теории Гута-Фахри, высокоразвитая цивилизация вполне может создавать новые вселенные, но все физические константы (т.е. массы электрона и протона, а также интенсивность четырех фундаментальных взаимодействий) останутся прежними. А что, если высокоразвитая цивилизация была бы способна создавать новые вселенные с чуть иными, нежели их собственные, значениями физических констант? После этого новорожденные вселенные могли бы развиваться во времени, причем каждое поколение новорожденных вселенных слегка отличалось бы от прежнего.

Если рассматривать набор фундаментальных констант чем-то вроде ДНК вселенной, то получится, что разумная жизнь, вполне возможно, научится создавать новорожденные вселенные с чуть разными ДНК. Со временем созданные вселенные будут развиваться; при этом размножаться будут вселенные с наилучшей ДНК, допускающей возникновение и процветание разумной жизни. Физик Эдвард Харрисон на основании предыдущей идеи Ли Смолина выдвинул идею «естественного отбора» среди вселенных. Согласно этой идее, в Мультивселенной доминируют именно вселенные с наилучшей ДНК, что вполне согласуется с идеей возникновения высокоразвитых цивилизаций, а те, в свою очередь, создадут следующие новорожденные вселенные. «Выживание наиболее приспособленных» попросту означает выживание тех вселенных, которые наилучшим образом способствуют появлению высокоразвитых цивилизаций.

Эта картина, если она верна, объяснила бы, почему фундаментальные константы Вселенной «настроены» на жизнь. Это просто означало бы, что в Мультивселенной процветают и «размножаются именно вселенные с желаемыми (т. е. совместимыми с жизнью) константами.

(Такая концепция «эволюции вселенных» весьма привлекательна, поскольку способна разрешить проблему антропного принципа. Ее недостаток состоит в том, что подобная идея непроверяема и нефальсифицируема. Пока не появится полная теория всего, мы не сможем сказать об этой идее ничего разумного.)