Максим Либанов - Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

В 1998 году, наблюдая за сверхновыми типа Ia, две группы астрофизиков независимо друг от друга открыли, что наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется ускоренно. В дальнейшем этот факт был подтвержден другими независимыми наблюдениями, и в 2011 году это открытие было отмечено Нобелевской премией. Почему так важен этот факт, что ученые, обнаружившие его, были удостоены такой высокой награды? Дело в том, что любая «обычная» материя (и темная, и барионная, способная взаимодействовать со светом) не может привести к ускоренному расширению Вселенной. Расширение если и будет, то замедленным. Только субстанция с необычными свойствами (отрицательным давлением, а давление в теории гравитации тоже весит) может привести к ускорению. Такую субстанцию называют темной энергией (не путать с темной материей – веществом, не взаимодействующим со светом и, следовательно, невидимым для нас). Частным случаем темной энергии является космологическая постоянная. Частным, потому что в общем случае темная энергия может быть динамической, то есть зависеть от времени. В настоящее время нет никаких достоверных свидетельств, что темная энергия является динамической, а все имеющиеся наблюдательные данные прекрасно отражаются в рамках модели CDM – модели, описывающей эволюцию Вселенной, в которой роль темной энергии играет космологическая постоянная. (Аббревиатура CDM означает Cold Dark Matter – «холодная темная материя» – еще одна компонента, дающая вклад в полную плотность энергии во Вселенной и необходимая для правильного описания эволюции последней). Кроме того, из наблюдательных данных удалось извлечь значение космологической постоянной: оно оказалось в три раза больше плотности энергии вещества и близко к значению, предсказанному Вайнбергом! При этом суммарная плотность энергии такова, что наше пространство остается плоским и евклидовым, оно не сжимается в точку и не расширяется слишком быстро. Мы видим, что и здесь тоже налицо тонкая настройка параметров, делающая мир вполне пригодным для нашего с вами проживания.

«По всей видимости, жизнь вообще не смогла бы организоваться и существовать при числе измерений, отличном от трех, и нам с нашими тремя измерениями повезло».

Слабый антропный принцип допускает (и предполагает) существование либо разных частей с разными константами в нашей Вселенной, либо существование разных вселенных. На самом деле это напоминает то, что предлагал Джордано Бруно: множественность миров. Хотя Бруно и говорил о планетах, современным физикам планет мало, они говорят о вселенных. Можно спросить, где эти вселенные, но лучше спросить, где и когда эти вселенные. Один из вариантов такой: Вселенная циклически сжимается и расширяется, чуть-чуть меняя свои параметры в каждом цикле. Рано или поздно она приходит в такой цикл, где параметры подбираются такими, какими мы их видим, – такими, которые допускают появление нас с вами. Соответственно, мы появляемся и описываем увиденное нами в созданных нами теориях.

Другой вариант множественности миров – то, что называется вселенными Эверетта. Это чисто квантово-механический эффект, эффект наблюдателя. В квантово-механической картине мира физический закон предсказывает не точный исход процесса, а лишь вероятность разных исходов. Лишь в момент наблюдения природа «выбирает», в какой точке пространства мы увидим электрон или в какой момент времени зафиксируем распад нейтрона. В 1957 году Хью Эверетт предположил, что в момент наблюдения (то есть фактически в каждый момент времени) история Вселенной расщепляется на множество вариантов, соответствующих каждому из возможных результатов наблюдения. А значит, буквально «рядом» существует другой мир, где мы все делаем чуть-чуть по-другому, причем таких миров бесконечно много.

Хью Эверетт – 1930–1982 – Американский физик, автор «многомировой» интерпретации квантовой механики (1957). После защиты докторской диссертации оставил физику, не встретив поддержки коллег.

Третий вариант множественных миров связан с теорией инфляции [14]. В ее основе – очень хорошо согласующаяся с наблюдениями идея, что на начальном этапе эволюции наша Вселенная претерпела очень быстрое расширение. Произойти это могло из-за того, что на самом элементарном уровне наше пространство динамично, оно постоянно меняется за счет квантовых осцилляций. На расстояниях порядка планковской длины пространство схлопывается, образуется и снова схлопывается. Образуется так называемая пространственно-временная пена. Но иногда, с небольшой вероятностью, возникают очень большие флуктуации, больше планковской длины. Пузырек такого нового пространства вместо того чтобы схлопнуться, начинает раздуваться. Стадия быстрого раздувания называется инфляцией и происходит очень быстро, за 10–35 секунд. Из таких пузырей и образуются различные вселенные. Их может быть много, и в каждой из них могут быть свои законы.

Что находится между этими вселенными? Ничего. Вообще ничего. Там нет пространства и даже нет времени. Инфляция происходит с самим пространством. Между вселенными – возможно, квантовая пена, о которой физика пока не может сказать ничего определенного, потому что там ничего нет, в том числе и физики.

Наконец, один из вариантов множественных миров предлагает теория струн, в которую прекрасно вписывается инфляция. Эта теория возникла для того, чтобы снять противоречия между квантовой механикой и теорией гравитации. Электроны, фотоны, гравитоны, весь зоопарк частиц – это колебания струны. В теории струн есть всего одна константа связи вместо тех, которые мы знаем (в настоящее время их чуть больше двадцати). Была (и остается) надежда, что из этой константы можно будет получить все остальные константы и они будут такие, как надо. Это была бы действительно фундаментальная теория, объясняющая все на свете.

Однако оказалось, что уравнения этой теории приобретают смысл лишь в том случае, если число измерений пространства-времени – не четыре, а десять. Почему мы видим лишь три пространственных измерения и одно временное? Потому что лишние измерения «свернуты» в многомерные поверхности ничтожно малого размера, подобно тому как свернуто в кольцо одно из измерений (поперечное) на двумерной поверхности шланга. От того, как именно устроены эти поверхности, зависят конкретные предсказания теории о нашей Вселенной.

Выяснилось, что число способов прийти от десяти измерений к нашим трем варьируется от 10 100 до 10 500. Возможно, их даже больше, вплоть до бесконечности. Каждому такому переходу, каждому типу такого перехода будет соответствовать своя вселенная со своим набором констант связи. Они будут либо раздуваться, либо схлопываться, они могут быть пустые. Вероятность найти среди них вселенную, где образуются звезды и галактики, условно говоря, будет порядка 10 – 500 степени, то есть почти нуль. Если почти нулевое число умножить на почти бесконечность, получится «немножко» вселенных, в которых бывает жизнь и бывают разумные особи, удивляющиеся тому, как устроен мир.