Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс - Сборник

Нынешняя теория Большого взрыва предполагает, что у Вселенной так или иначе было начало и что вселенная в своем нынешнем виде расширяется из сингулярности. Но мы не знаем, что было прежде этого, и поэтому, чтобы объяснить вечную Вселенную, выдвигаются ее циклические модели. Если принять такую модель – энтропия очень высока в конце нашей Вселенной и была очень низкой в ее начале, – то какой процесс мог бы перезапускать энтропию, снова возвращая ее низкое значение? Если брать цикличную Вселенную, то не должна ли энтропия каким-то образом сохраняться? Не может ли существовать какой-то тип сохранения энергии, который не требует работы (в классическом смысле)? Не может ли Вселенная быть единственным и единственно возможным вечным двигателем (то есть явлением, которое запрещено вторым законом)? Если бытие бесконечно во времени, то, пожалуй, да.

И в других отношениях вся эта идея энтропии всегда казалась неправильной или неуместной. Мы говорим, что Вселенная движется от порядка к беспорядку. Но этот предполагаемый порядок сводится к тому, что всё вещество Вселенной было сжато в очень маленький объем, в сингулярность, а когда Вселенная расширяется, то становится меньше порядка, потому что расстояние между частицами увеличивается. Однако при этом все время создается порядок.

Величайшим результатом нашей расширяющейся и развивающейся Вселенной является ее постоянно растущая сложность. Сначала благодаря гравитации возникают объекты с плотностью, сильно отличающейся от средней, – звезды; затем сложность увеличивается из-за синтеза тяжелых химических элементов во время взрывов сверхновых звезд; затем – в ходе химической эволюции, а потом – и в ходе эволюции биологической, которой движет естественный отбор и которую венчает невероятная сложность нашего мозга.

Сложность – это синоним низкой энтропии. В расширяющейся Вселенной есть бесчисленное множество маленьких (по сравнению с размером самой вселенной)«карманов» исключительно низкой энтропии, окруженных обширными зонами более высокой энтропии (многие из которых появились именно в результате создания этих «карманов»). Берутся ли в расчет более высокие порядки сложности (и, соответственно, более низкие порядки энтропии) при попытках сбалансировать энтропию Вселенной? Многие сегодняшние научные работы по космологии пытаются суммировать всю энтропию Вселенной с помощью формул, которые, видимо, слишком просты для того, чтобы учесть все доселе неведомые физические процессы, происходящие в нашей странной Вселенной.

Мы не можем отправить энтропию в отставку, но, может быть, нам стоит переосмыслить ее?

Единообразие и уникальность Вселенной

Андрей Линде

Физик-теоретик, Стэнфордский университет; автор хаотической теории инфляции, первый лауреат премии по фундаментальной физике Фонда Мильнера в 2012 году.

В течение почти всего XX века в научной мысли доминировала идея единообразия Вселенной и универсальности законов физики. И действительно, космологические наблюдения показывали, что в самых больших возможных масштабах Вселенная почти полностью единообразна с погрешностью меньше чем 1 к 10000.

Подобная же ситуация складывается и в отношении универсальности законов физики. Например, мы знали, что масса электрона одинакова в любой наблюдаемой части Вселенной, так что с очевидностью предполагалось, что он везде имеет одинаковую величину – что это природная константа. В течение долгого времени одной из величайших целей физики было найти единую теорию – Теорию Всего, – которая объединила бы все фундаментальные взаимодействия и дала бы о однозначное объяснение всем известным параметрам физики частиц.

Примерно тридцать лет назад появилось возможное объяснение единообразия Вселенной. Главная идея заключалась в том, что наша часть мироздания возникла в результате экспоненциально быстрого растяжения пространства, названного космической инфляцией. По мере того как все «морщины» и неоднородности пространства растянулись и исчезли, Вселенная стала невероятно гладкой. Добавьте некоторые квантовые флюктуации, растяните их – и вот уже единообразие стало чуть менее полным: появились галактики.

Сначала инфляционная теория выглядела как экзотический плод живого воображения. Но, благодаря вдохновенной работе тысяч ученых, различные ее прогнозы были подтверждены наблюдениями, сделанными космическими аппаратами COBE, WMAP, Planck и, совсем недавно, лабораторией BICEP2. Если, как я думаю, теория правильна, то мы наконец получили объяснение того, почему мир столь единообразен.

Но инфляция не предсказывает, что это единообразие должно простираться дальше наблюдаемой части вселенной. Приведу аналогию: предположим, что вселенная – это поверхность большого футбольного мяча, состоящая из черных и белых шестигранников. Если мы накачиваем мяч, то размер каждой белой или черной части экспоненциально растет. Если инфляция достаточно сильна, то те, кто живет в черной части вселенной, никогда не увидят белую часть. Они будут думать, что вся вселенная черная, и постараются научно объяснить, почему она не может быть никакого другого цвета. Те, кто живет в белой вселенной, никогда не увидят черные части и поэтому будут думать, что весь мир должен быть белым. Но белые и черные части могут сосуществовать в инфляционной вселенной без противоречащих друг другу наблюдений.

В отличие от аналогии с черным/белым, в физике количество разных «цветов» – то есть разных состояний материи – может экспоненциально расти. Наилучшим нынешним кандидатом на роль Теории Всего является теория струн, которая может быть успешно сформулирована в пространстве-времени с десятью измерениями (девятью измерениями пространства и одного – времени). Но мы живем во Вселенной с тремя измерениями пространства. А где же шесть остальных? Дело в том, что они компактифицированы – сжаты до такой степени, что мы не можем двигаться в этих измерениях, – и поэтому мир представляется нам трехмерным.

Еще на начальной стадии разработки теории струн физики знали, что есть экспоненциально много разных путей для компактификации дополнительных шести измерений, но мы не знали, что удерживает компактифицированные измерения от расширения. Эта проблема была решена примерно десять лет назад, и решение подтвердило прежнее ожидание экспоненциально большого количества возможностей. По некоторым оценкам, их 10500. И каждая из этих опций описывает часть Вселенной с разной энергией вакуума и с разными типами материи. В контексте инфляционной теории это означает, что мир может состоять из 10500 громадных вселенных с различными типами материи.

Пессимист скажет, что, поскольку мы не видим других частей Вселенной, то не можем доказать, что эта картина является правильной. Оптимист возразит, что это нельзя и опровергнуть, потому что главное предположение теории состоит в том, что другие вселенные находятся очень далеко от нас. А поскольку мы знаем, что лучшая из нынешних теорий допускает существование 10500 разных вселенных, то всякий, кто доказывает, что у Вселенной повсюду должны быть одни и те же свойства, должен доказать, что возможно существование лишь одной из этих 10500 вселенных.

Есть кое-что еще: в нашем мире много странных совпадений. Масса электрона в 2000 раз меньше массы протона. Почему? Единственная «причина» состоит в том, что, будь это хоть немножко иначе, и жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможной. А массы протона и нейтрона почти совпадают. Если бы массы каждого хоть немного отличались, то жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможной. Энергия пустого пространства в нашей части Вселенной хотя и не равна нулю, но ничтожно мала – она более чем на 100 порядков меньше естественных теоретических оценок. Почему? Единственное объяснение заключается в том, что мы не могли бы жить в мире с большей энергией вакуума.

Корреляция между нашими свойствами и свойствами мироздания называется антропным принципом. Но если бы Вселенная существовала только в одном экземпляре, эта корреляция не объяснила бы почему. Нам бы пришлось предполагать некий божественный промысел, сделавший Вселенную пригодной для человека. А вот с Мультивселенной, состоящей из многих разных частей с разными свойствами, корреляция между нашими свойствами и свойствами той части мира, в которой мы живем, вполне имеет смысл.

Можем ли мы вернуться к старой картине единственной Вселенной? Возможно. Но для этого мы должны (1) придумать лучшую космологическую теорию, (2) придумать лучшую теорию фундаментальных взаимодействий и (3) предложить альтернативное объяснение упомянутых выше поразительных совпадений.

Бесконечность

Макс Тегмарк

Физик, космолог, Массачусетский технологический институт; научный директор Foundational Questions Institute (Института фундаментальных вопросов). Автор книги Our Mathematical Universe[11].