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.
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 вариант 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". – 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:
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. 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 электромагнитных 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. 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 парадигмы, 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. 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, известно 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 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.