Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

В ландшафтной мультивселенной жизнь выигрывает космологическую лотерею, скупив все билетики.

Технически ландшафтная вселенная — это вариант инфляционной вселенной, предсказанный теорией струн. Теория струн, в свою очередь, попытка объединить теорию относительности с квантовой механикой, заменив точечные частицы на крохотные многомерные «струны». Здесь не место вдаваться в детали, но у этой теории есть серьезная проблема: существует около 10↑ 500различных способов сформулировать теорию струн. Некоторые ее варианты дают значения фундаментальных констант, близкие к их значениям в нашей Вселенной; большинство не дает таких значений. Если бы существовал какой-то волшебный способ выделить один конкретный вариант теории струн, мы могли бы предсказать фундаментальные константы, но в настоящий момент нет причин предпочесть какой-то один вариант другому.

Мультивселенная теории струн позволяет исследовать их все последовательно, одну за другой, — в чем-то это напоминает серийную моногамию. Если теоретик достаточно усердно делает пассы руками, квантовая неопределенность может позволить отдельные переходы от одного варианта теории струн к другому, так что наша единственная Вселенная будет брести, как пьяная, сквозь пространство струнно-теоретических вселенных. Константы близки к нашим, значит, жизнь может развиться. Выясняется, что эти фундаментальные константы могут также порождать очень долгоживущие вселенные, черты которых напоминают черные дыры. Так что последовательно изменяющаяся вселенная склонна держаться вблизи интересных мест — там же, где держатся подобные нам существа.

Это поднимает более тонкий вопрос. Почему получается, что пригодность для жизни и долгое время существования связаны? Ли Смолин предложил ответ для инфляционной вселенной: новые вселенные, отпочковавшиеся от старой посредством черных дыр, могут развиваться путем естественного отбора, приходя в конечном итоге к тем сочетаниям фундаментальных констант, которые не только делают жизнь возможной, но и дают ей достаточно времени, чтобы запустить процесс и усложниться в достаточной степени. Чудная идея, но неясно, как две вселенные могут конкурировать между собой, чтобы механизм дарвиновского отбора заработал.

Ландшафтная мультивселенная имеет определенное количество последователей, но, по словам Льюиса Кэрролла, это «максима потрясающая, но банальная». Так можно объяснить что угодно. Металлоидный киберорганизм с семью щупальцами, живущий во вселенной с совершенно иными фундаментальными константами, мог бы выдвинуть в точности этот же аргумент в пользу того, что его вселенная существует и самым точным образом настроена на металлоидную жизнь. Если теория предсказывает все возможные результаты, как можно ее проверить? Можно ли считать ее научной?

Джордж Эллис долгое время был скептически настроен по отношению к мультивселенной. Говоря об инфляционной вселенной, но добавляя при этом, что то же относится и к остальным ее типам, он писал:

«Свидетельства в пользу мультивселенной неубедительны. Основная причина — чрезвычайная гибкость этой гипотезы… так что мы предполагаем существование громадного — возможно, даже бесконечного — числа ненаблюдаемых сущностей для того только, чтобы объяснить всего одну существующую вселенную. Эта гипотеза едва ли отвечает критерию английского философа XIV века Уильяма Оккама о том, что „не следует умножать число сущностей сверх необходимого“».

Закончил он, правда, на более позитивной ноте: «Нет ничего плохого в научно обоснованных философских рассуждениях, которыми и являются гипотезы мультивселенной. Но нам следует называть их тем, чем они являются».

Квантовая мультивселенная появилась раньше других, и виноват в этом Эрвин Шрёдингер. Кот, помните? Ну, знаете, тот, что одновременно и жив и мертв — до тех пор, пока вы не посмотрите, как он там. В отличие от остальных мультивселенных, разные миры квантовой мультивселенной сосуществуют друг с другом и даже занимают одно и то же пространство и время. Писатели-фантасты обожают этот сюжет.

Независимое сосуществование возможно потому, что квантовые состояния могут перекрываться , то есть складываться друг с другом. В классической физике что-то похожее делают, к примеру, волны на воде: если пути двух групп волн пересекаются, их пики складываются, образуя еще более высокие пики, а при попадании пика на впадину они взаимно ликвидируются. Однако в квантовом царстве этот эффект заходит гораздо дальше. К примеру, частица может вращаться по часовой стрелке или против (здесь я упрощаю, но идею вы поняли). Когда эти состояния накладываются, они не нейтрализуются. Вместо этого вы получаете частицу, которая вращается в обе стороны одновременно.

Если в момент, когда система находится в одном из таких объединенных состояний, вы проводите измерение, происходит нечто замечательное. Вы получаете определенный ответ. У пионеров квантовой теории это вызывало горячие споры; споры эти разрешились на конференции в Дании, где большинство ученых согласились считать, что акт наблюдения системы каким-то образом заставляет ее состояние «коллапсировать» (схлопываться) в одну или другую из составляющих его компонент. Это толкование называется копенгагенской интерпретацией.

Шрёдингера эта интерпретация до конца не убедила, и он придумал мысленный эксперимент, чтобы объяснить почему. Посадите кота в непроницаемый ящик и туда же поместите какой-нибудь радиоактивный атом, ампулу ядовитого газа и молоток. Устройте так, чтобы в случае, если атом распадется, испустив при этом частицу, молоток разобьет ампулу и газ убьет кота. Закройте ящик и подождите.

Через некоторое время задайте вопрос: кот в ящике жив или мертв?

В классической (то есть неквантовой) физике он находится в одном из этих двух состояний, но вы никак не можете определить, в каком именно, пока не откроете ящик. В квантовой физике состояние радиоактивного атома есть суперпозиция состояний «распался» и «не распался», и оно остается таковым, пока вы это состояние не пронаблюдаете, открыв ящик. Тогда состояние атома мгновенно коллапсирует в одно из двух возможных состояний. Шрёдингер указывал, что в этой ситуации те же рассуждения применимы и к коту, которого можно рассматривать как громадную систему взаимодействующих квантовых частиц. Благодаря устройству в ящике кот остается в живых, если атом не распадается, и умирает, если распадается. Поэтому кот должен быть жив и мертв в одно и то же время… до того момента, когда вы откроете ящик, вызвав тем самым коллапс волновой функции кота, и выясните, чем дело кончилось.