Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Инфляция хаотична по своей природе. Каждый пузырь, сформировавшийся в расширяющейся Вселенной, в итоге разорвался своим большим или маленьким взрывом, и для всех них, вероятно, характерны различные наборы величин, которые мы обычно называем фундаментальными константами. Обитатели (если таковые есть) одного пузыря не могут видеть другие пузыри, поэтому их пузырь кажется им всей вселенной. Полный набор всех таких вселенных получил название Мультивселенной.

В этих пузырях могут быть реализованы все возможные решения уравнений теории струн. И если так, тогда надежда найти рациональное объяснение точным значениям массы кварков и другим константам Стандартной модели, которые характерны для нашего Большого взрыва, обречена, поскольку это всего лишь случайные значения, установившиеся в той конкретной части Мультивселенной, где мы живем. Нам придется довольствоваться огрубленным вариантом антропного принципа для объяснения некоторых аспектов наблюдаемой Вселенной: любые живые существа, вроде нас с вами, которые могут изучать Вселенную, должны находиться в той ее части, в которой фундаментальные константы допускают эволюцию жизни и разума. Человек действительно может оказаться мерой всех вещей, хоть и не совсем в том смысле, который подразумевал Протагор [40] Древнегреческий философ, софист, автор знаменитого тезиса «Человек есть мера всех вещей». — Прим. пер. .

На сегодня, по-видимому, антропный принцип предлагает единственное объяснение наблюдаемому количеству темной энергии. В Стандартной модели и других известных квантовых теориях поля количество темной энергии просто фундаментальная константа. Это количество может быть любым. За неимением лучшего мы можем предположить, что плотность темной энергии соответствует плотности энергии, характерной для физики элементарных частиц, например плотности энергии в атомном ядре. Однако тогда Вселенная расширилась бы так быстро, что не образовалось бы никаких галактик, звезд или планет. Для эволюционного развития жизни количество темной энергии не может быть много больше или меньше наблюдаемой величины.

Подобные грубые антропные объяснения не совсем то, чего мы ждем от физики, однако они могут нас удовлетворить. История развития физической науки связана не только с поиском точных объяснений явлений природы, но еще и с выявлением тех вещей, которые допускают точные объяснения. И таких вещей может быть меньше, чем мы предполагали.

В сочинении «Исчисление песчинок» Архимед показал, что умеет обращаться с большими числами, оценив количество песчинок, которое потребуется, чтобы заполнить Вселенную. Конечно, Архимед не знал размеров Вселенной; он использовал расчеты Аристарха для определения расстояния до границы небесной сферы, на которой расположены звезды. Большого смысла в этом не было. Его работа представляла интерес не для астрономии, а для математики. Описывая большие числа, он говорил о мириадах, мириадах мириад, мириадах мириад мириад мириад и т. д. В современном языке описать такое количество намного проще: мириада — это 10 000 или десять в четвертой степени, 10 4; мириада мириад — это 10 4, умноженное на 10 4, то есть 10 8; мириада мириад мириад мириад — это 10 8, умноженное на 10 8, то есть 10 16; и т. д. Если перевести выводы Архимеда на современный язык, окажется, что для заполнения Вселенной потребуется не более чем 10 63песчинок.

В своих расчетах Архимед оперировал объемами: объем небесной сферы он представил как очень большое число объемов частичек песка. Ученым в своих исследованиях также приходится иметь дело с очень большими и очень маленькими величинами, которые мы описываем, используя степени десятки. Физики Герард ‘т Хоофт и Стефан Вандорен из города Утрехт (Нидерланды) в своей книге «Время в десяти энергиях» (Time in Powers of Ten), изданной в Голландии с милыми иллюстрациями дочери ‘т Хоофта Саскии, описали огромный диапазон временны΄х интервалов, с которыми имеет дело современная физика. В июле 2013 г. я получил электронное письмо от ‘т Хоофта, в котором он спрашивал, не соглашусь ли я написать предисловие для английского перевода их книги. Герард ‘т Хоофт — один из величайших физиков нашего времени и мой старый приятель, к тому же я и сам размышлял о временны΄х масштабах в истории физики и астрономии, так что я согласился. Английское издание книги ‘т Хоофта и Вандорена с моим кратким предисловием, которое можно прочесть в этой главе, было выпущено издательством World Scientific Press в 2014 г.

В обычной жизни человек оперирует временными периодами от нескольких секунд до нескольких десятилетий, то есть самый длительный временной интервал примерно в миллиард раз больше самого короткого. Однако с развитием науки ученые все чаще имеют дело с еще более длинными или короткими интервалами времени, отличающимися от привычных нам на много порядков.

Примерно в 150 г. до н. э. греческий астроном Гиппарх в результате наблюдений установил, что положение Солнца на фоне звезд в момент осеннего равноденствия постепенно изменяется со скоростью, при которой равноденственное светило совершит полный круг по зодиакальному экватору примерно за 27 000 лет. Позже Ньютон объяснил предварение равноденствий [41] Постепенное изменение положения весеннего и осеннего равноденствий, то есть точек пересечения небесного экватора с эклиптикой. — Прим. пер. влиянием медленного колебания оси вращения Земли, вызванного гравитационным притяжением Солнца и Луны. Сегодня нам известно, что ось Земли совершает полный оборот за 25 727 лет. Гиппарх впервые выполнил серьезный научный расчет, в котором фигурировал временной интервал, намного превышающий продолжительность жизни человека, и получил результат с погрешностью всего 5 %.

В наше время мы уже привыкли к гораздо более длительным интервалам времени. По относительной распространенности изотопов урана мы можем сделать вывод, что вещество, из которого состоит Солнечная система, образовалось в результате взрыва звезды примерно 6,6 млрд лет назад. Заглядывая еще глубже в прошлое и анализируя скорость разбегания галактик, мы понимаем, что 13,8 млрд лет назад материя Вселенной находилась в настолько сжатом состоянии, что не было ни галактик, ни звезд, ни даже атомов — только горячий плотный газ элементарных частиц.

Расширение нашего опыта на сверхкороткие временны́е интервалы оказалось еще более драматичным. В результате наблюдения за дифракцией, которая связана с волновой природой света, еще в начале XIX в. стало известно, что характерная длина волны видимого света составляет примерно 3 стотысячных сантиметра. К тому моменту люди уже знали, что скорость света около 300 000 км/с, таким образом, период световой волны, то есть время, необходимое на преодоление расстояния, равного длине волны, составляет 10 –15с (одна квадриллионная секунды). Это примерно соответствует времени, за которое электроны в атомах совершают один полный оборот на своих орбитах (если рассматривать процесс в рамках классического описания).