Теперь, наоборот, чуть-чуть увеличим массу нейтрона. В таком случае нейтроны в атомных ядрах превратятся в протоны, ядра разорвутся из-за электрического отталкивания протонов, а свободные протоны "сольются" с электронами и образуют атомы водорода. Получится "водородный мир", в котором будет только водород, много-много водорода, но никаких других элементов. Довольно уныло!
Изменим силу слабого взаимодействия между частицами - и мы больше не увидим взрывов сверхновых. Ладно, скажете вы, сверхновые же очень далеко, это нас не касается. Касается! Без вспышек сверхновых тяжелые элементы оставались бы замурованными внутри звезд, и мы бы имели только легкие элементы, образовавшиеся во время Большого взрыва: водород, гелий, дейтерий и немножечко лития - жизнь из таких кубиков никак не образовать!
Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация намного слабее всех остальных. Так может быть, от величины гравитационной силы ничего не зависит? Зависит! Но влияние гравитации становится существенным, только если у вас есть то-то вроде звезд или галактик. Именно слабость гравитации делает звезды большими. Если сделать ее сильнее, звезды станут меньше и будут прогорать быстрее. Даже небольшого усиления гравитации довольно для того, чтобы сделать время жизни звезд много меньше тех нескольких миллиардов лет, которые, как ни крути, требуются для появления разумной жизни.
Примеры можно приводить и дальше. Впрочем, и так уже ясно: налицо тончайший баланс между всего лишь несколькими величинами - свойствами Вселенной, от которого зависит, будет ли кому написать и прочитать о ней хоть слово или она окажется "безвидная и пустая". Речь идет о нашем присутствии в мире. Может быть, это указание на существование Творца? Он не лепит людей из глины, но производит тонкую настройку мира, с тем, чтобы существование людей стало физически возможным событием. И если нет, существует ли другое объяснение?
Самые яркие объекты во Вселенной - квазары. Это ядра активных галактик.
Антропный принцип
Как сказал однажды Михаил Жванецкий, вначале было слово, но судя по тому, что случилось дальше, слово было непечатным.
Представьте обезьяну, молотящую по клавишам пишущей машинки. Конечно, произведения, вышедшие "из-под пера" такого писателя, вряд ли кто-нибудь захочет напечатать - никакого смысла, только беспорядочный набор букв. Но если обезьяна будет "трудиться" достаточно долго, есть вероятность, что среди этих никчемных текстов окажется "Я помню чудное мгновенье".
Может быть, Создатель ничего специально не настраивал и не подгонял? Может быть, Он не слишком-то и заботился о нас? Может быть, Он, подобно нашей обезьяне, в беспорядке "надувал" вселенную за вселенной, как надувают мыльные пузыри, в огромном количестве, с различными наборами фундаментальных постоянных, и следовательно, с различными наборами свойств и внутренних возможностей. Подавляющее большинство из них вышли весьма унылыми, мрачными и тоскливыми. Однако среди них встретились и такие, которые обладали набором параметров, удобных для возникновения и продолжения жизни. Слава Богу! Счастливый случай!
Но тогда нет никакого божественного чуда в том, что все разумные существа станут наблюдать вокруг себя миры с редкими, удивительно удачно подобранными и выверенными свойствами. Штука в том, что других миров они никогда не увидят просто потому, что их возникновение и существование в этих мирах будет решительно невозможным; эти вселенные некому будет наблюдать!
Этот ход рассуждений известен как антропный принцип. Название было придумано в 1974 году кембриджским астрофизиком Брэндоном Картером, который сформулировал его так: "…все наши ожидания в отношении возможных наблюдений должны быть ограничены условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей".
Антропный принцип - это хороший критерий отбора физических теорий. Теории, которые не допускают существование в мире живых и разумных наблюдателей - это неудачные теории. Они противоречат сами себе, ибо если мир действительно таков, то их просто некому было бы придумать! Но физики антропную аргументацию очень не любят, прежде всего потому, что следствия из нее нелегко ни подтвердить, ни опровергнуть посредством эксперимента. Почему так? Да потому, что антропное предсказание требует существования того, что не так давно стали называть Мультиверсом.
Понятие Мультиверса было введено Мартином Рисом, английским королевским астрономом и, кстати сказать, бывшим одноклассником Брэндона Картера. "Universe" по-английски значит "вселенная", а "Multiverse" - "много вселенных". Это грандиозный ансамбль, который включает много, очень много или даже бесконечное множество различных "доменов" или "вселенных" с различными наборами фундаментальных постоянных и физических свойств. Рассматривают три вида мультиверсных ансамблей. Первый - это когда одно пространство-время, одна Вселенная разделена на множество регионов. Второй вид состоит из отдельных, не связанных и независимых вселенных. И третий - смешанный: множество вселенных, состоящих из множества регионов.
Мультиверс сам по себе похож на фантастический сюжет. До недавнего времени таковым он и оставался: даже надеяться на то, чтобы получить его в рамках научной теории, представлялось ненаучным. Но теория вечной инфляции описывает именно Мультиверс - вспомним "глобальную Вселенную", "Вселенную вселенных". Описывает научно, а не фантастически, хотя, как мы убедились на предыдущих страницах, иногда описание это выглядит совершенно фантастическим!
В 1910 году Земля прошла через хвост кометы Галлея, одной из составляющих которого является ядовитый газ циан. Один из ведущих астрономов того времени Камиль Фламмарион заранее предсказал, что этот газ отравит атмосферу и может убить все живое на планете. В связи с этим население усиленно покупало защитные маски, а также выпущенные предприимчивыми производителями противоциановые пилюли и зонты. В итоге оказалось, что ядовитый газ в хвосте кометы был очень разрежен и не оказывал никакого влияния на живых существ.
Применение антропного принципа - все еще крайняя мера в физике. Но если какая-то проблема и требовала применения крайних мер, то это проблема космологической постоянной. А теперь подумаем. Ведь у нас есть теория Мультиверса - это теория вечной инфляции. Квантовые процессы во время вечной инфляции неизбежно порождают огромные области со всеми возможными значениями фундаментальных постоянных. А это значит, что вечная инфляция естественным образом создает условия для применения антропного принципа! Если мы, исходя из теории инфляции, вычислим распределение значений космологической постоянной по разным вселенным, то, используя антропные соображения, сможем сделать проверяемые предсказания для значения этой постоянной у нас, в нашей вселенной.
Так мы убиваем сразу не двух, а трех "зайцев". Во-первых, мы можем объяснить, почему значение космологической постоянной у нас ненулевое. Во-вторых, если наши предсказания совпадут с наблюдениями (а так оно и выходит, пусть только статистически), теория вечной инфляции получает экспериментальное подтверждение. А это дорогого стоит, учитывая то, что речь идет о Мультиверсе, а не о булках и елках! И наконец, в-третьих, посредством теории инфляции мы переводим антропные аргументы из метафизических во вполне физические, в такие, на основе которых можно делать проверяемые в эксперименте предсказания.
Неужели Творцу, глядя на все это, и вправду доведется уйти на покой? Не уподобляться же Ему, в самом деле, пускающей мыльные пузыри обезьяне?
Последние пределы
Когда речь идет о предельных величинах и событиях, о самых последних пределах, теория самого большого требует согласования с теорией самого малого. Космология тогда ищет поддержки у теории элементарных частиц, а та, в свою очередь, использует результаты космологии. Согласованная теория всего - мечта физика: теория, одной математической структурой определяющая принципы всех физических явлений. В чем отличительные черты такого согласования? Это не только сложность и разнообразие параметров. Это в большей степени глубина и соединение несоединимого, выраженные с большим изяществом. Здесь трудно подобрать примеры…
Теория вечной инфляции открывает путь к прояснению проблемы космологической постоянной и тонкой настройки других фундаментальных констант. Но что же с физикой элементарных частиц?! Она по-прежнему предсказывает, что космологическая постоянная точно равна нулю. Вычисленные на основе так называемой Стандартной модели вклады в плотность энергии вакуума (между прочим, вычисленные на основании тончайших измерений фундаментальных констант) как будто сговорились компенсировать друг друга с высочайшей, порядка 1/10120 точностью!
Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель также предсказала наличие и свойства новых элементарных и субэлементарных частиц, которые все были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория. Но и у нее есть проблемы, причем касающиеся не только космологической постоянной.
Прежде всего, Стандартная модель слишком громоздкая. Мир не может так "вязнуть в зубах"! Модель включает в себя более 60 элементарных частиц - не слишком большой шаг вперед по сравнению с количеством элементов таблицы Менделеева. В модели 25 настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны.
Далее, гравитация - важнейшее взаимодействие (правда, наиболее важное как раз в космологии) - остается за бортом модели. Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться.
Большинство физиков ныне возлагают надежды на принципиально новый подход к квантовой гравитации - теорию струн. Она предлагает единое описание всех частиц и их взаимодействий и является самым многообещающим из всех кандидатов на роль универсальной теории. Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с так называемой планковской длиной (это размер, для которого становятся существенными разные диковинные квантовые эффекты, не подчиняющиеся обычным физическим законам). Частицы кажутся бесструктурными точками потому, что планковская длина крайне мала, она составляет всего лишь 1,6 × 10–35 м (одну миллиардно-триллионно-триллионную долю сантиметра).
Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон - частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, ее нельзя построить без гравитации.
Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. До недавнего времени у ученых не было квантовой теории гравитации - то есть теории гравитации на уровне элементарных частиц. Не было даже намеков на сколько-нибудь вразумительную форму такой теории. Эта проблема связана с квантовыми флуктуациями самой геометрии пространства-времени. Ниже некоторого критического размера, который как раз и есть наша планковская длина, пространство-время теряет гладкость и непрерывность, а главное - точную определенность и превращается в хаотическую, пенообразную структуру. Это так называемая пространственно-временная пена.
Пространство неистово закручивается и сминается, крошечные "пузырьки" отрываются от него и немедленно коллапсируют, возникает и мгновенно исчезает множество "ручек" или "туннелей". Практически в любых сколько-нибудь больших масштабах пространство выглядит гладким и пространственно-временная пена просто незаметна.
В теории струн крошечные струнные колечки не изменяются в размерах; они невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.
В струнной теории нет произвольных, подстраиваемых параметров, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Это не преувеличение: их действительно нет, ни одного. Все, что мы можем сделать, - это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна.
Теория жестко фиксирует даже количество измерений пространства: она требует, чтобы пространство имело целых 9 измерений. Это звучит довольно странно: почему мы вообще должны рассматривать теорию, которая находится в столь вопиющем противоречии с нашей трехмерной реальностью? Противоречие это можно, однако, обойти, если считать, что 6 лишних измерений свернуты или, как говорят физики, компактифицированы. Представим себе соломинку для коктейля. Она имеет одно открытое изменение - это ее длина. То, что на самом деле у нее есть и другое изменение, почти не видно - оно как бы скручено, свернуто.
Теоретики надеялись, что в итоге теория приведет к единственной компактификации, которая описывает наш мир, и мы получим наконец объяснение наблюдаемых значений всех параметров элементарных частиц. Но дело поворачивалось по-другому: теория, как выяснилось, допускает тысячи различных компактификаций.
Дальше - больше! По мере того как улучшалось понимание математики теории струн, становилось ясно, что вдобавок к одномерным струнам теория должна включать двумерные мембраны, а также их многомерные аналоги. Все эти новые объекты назвали собирательно бранами. Маленькие вибрирующие браны должны выглядеть как частицы, но они слишком массивны, чтобы рождаться на ускорителях. С бранами связан один неприятный эффект: они радикально увеличивают количество способов, которыми можно конструировать новые виды вакуума. Брана может, как резиновая лента, накручиваться на некоторые компактные измерения. Каждая стабильная конфигурация браны дает новый тип вакуума. Можно накрутить одну, две и более бран на каждую ручку компактного пространства, и при большом количестве ручек число вариантов становится просто чудовищным. В уравнениях теории нет подстроечных констант, но их решения, описывающие различные состояния вакуума, характеризуются сотнями параметров: размерами компактных измерений, расположением бран и т. п. Поведение вакуума в зависимости от этих параметров называют ландшафтом теории струн.
Если у нас есть два параметра, можно представить ландшафт двумерным. Не путайте, пожалуйста, с измерениями пространства! Это не пространство, это представление различных состояний. "Пики" не относятся к вакууму. А вот "впадины" - это как раз состояния истинного вакуума. То, насколько высоко или низко расположена "впадина", представляет вакуум с соответствующей плотностью энергии - то есть с определенным значением космологической постоянной.
В действительности энергетический ландшафт теории струн гораздо более сложен! Чтобы учесть все параметры, нужно пространство с несколькими сотнями измерений. Грубые оценки показывают, что ландшафт включает в себя около 10500 различных вакуумов (опять гуголплексное число, да еще какое!). Его нельзя изобразить. Но существует не только наглядное изображение - ландшафт можно анализировать математическими методами. Одни вакуумы похожи на наш, другие имеют совершенно иные значения фундаментальных постоянных. Есть и такие вакуумы, которые поддерживают абсолютно другие частицы и взаимодействия или/и имеют свыше трех больших (то есть не свернутых, некомпактифицированных) измерений.
Когда стали проступать контуры этого ландшафта, надежда вывести из теории струн один уникальный тип вакуума (и, следовательно, один существующий мир) развеялась как дым.
Проблема космологической постоянной оказалась своего рода лакмусовой бумажкой современных фундаментальных исследований. Космология в лице теории вечной инфляции довольно хорошо умеет обращаться с ней. Теория самого малого - физика элементарных частиц - очень нелегко переживает ее. Это стало для науки показателем какой-то важнейшей необходимости. И указанием пути. Нужно было каким-то образом склонить космологическую теорию к работе на стороне теории элементарных частиц. Нужно было найти возможности согласования и содействия. Некоторые талантливые и чуткие к ситуации физики это поняли и встали на этот путь. Первыми были Рафаэль Буссо и Джозеф Полчински: они сделали то, что давно "стучалось в двери" фундаментальной науки и диктовалось самим естественным ходом событий. Они объединили картину струнного ландшафта с идеями инфляционной космологии и показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами.
Джозеф Полчински - блестящий теоретик, ведущий специалист по теории струн. Между тем, с его именем связан один курьез, который заслуживает нашего внимания. Полчински заявил своим коллегам, что бросит заниматься физикой, если будет открыто, что космологическая постоянная имеет значение, не равное строго нулю. Ведь значение, полученное в экспериментах, могло иметь только антропное объяснение: постоянная должна быть именно такой, малой, но ненулевой, фактически из-за нас и ради нас! На это Полчински согласиться не мог - он не переносил антропных рассуждений. Но теперь главное занятие его жизни - теория струн - подвело его к тому, что он был не прав, и Полчински изменил свое решение и в отношении физики (надо сказать, к счастью для последней), и в отношении антропного принципа.
Буссо и Полчински показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами. Некоторые из этих областей станут сразу "съеживаться", коллапсировать, но некоторые - расширяться. Самый высокоэнергичный вакуум будет расширяться быстрее всех. На этом инфляционном фоне начнут зарождаться пузырьки менее энергичных вакуумов. Внутренние области пузырьков будут инфлировать тоже, только в меньшем темпе, и в них появятся пузырьки с еще меньшей энергией. В результате будет задействован весь ландшафт теории струн - образуется бесчисленное множество пузырьков со всеми возможными типами вакуума.
Мы живем в одном из пузырьков, но теория не говорит, в каком именно. Лишь очень малая доля из них пригодна для жизни, и мы должны оказаться именно в одном из таких редких пузырьков. Но именно так работает антропный принцип! Поэтому в 2003 году Леонард Сасскинд ввел термин "антропный ландшафт теории струн" и детально описал, как разнообразие вакуумов в теории струн впервые дает серьезную научную основу для антропных рассуждений. Струнные теоретики, говорил он, должны поддерживать антропный принцип, а не бороться с ним.
Конечно, впереди еще очень много работы. Необходимо подробно "картировать" струнный ландшафт. Какие типы вакуумов существуют? Какие семейства объектов связаны с каждым типом? Ясно, что все 10500 мы охарактеризовать не сможем. Правда, для выхода из этой ситуации существует математическая статистика и теория вероятностей. Необходимо также оценить вероятность появления пузырьков с одним типом вакуума по сравнению с другим. После этого у нас будут все ингредиенты для разработки модели вечно инфлирующей Вселенной с пузырьками внутри пузырьков внутри пузырьков (можно было бы еще добавить "внутри пузырьков" - этот процесс не ограничен).