Вселенная! Курс выживания среди черных дыр. временных парадоксов, квантовой неопределенности

Голдберг Дэйв

А вот у муравья, ползущего по канату, никаких подобных иллюзий нет. Он может ползти не только взад-вперед по веревке, но и вокруг каната – и это эквивалентно одному из скрытых измерений в теории струн. Некоторые измерения, вероятно все недостающие семь, весьма и весьма компактны. Вероятно, мы не замечаем этих компактных измерений, поскольку обречены плыть на трехмерной бране по Вселенной, где измерений больше.

Между тем маленькие измерения могут играть очень важную роль, поскольку главный режиссер этого спектакля – квантовая механика. Что будет, если вокруг одного из маленьких измерений обернется петля из струны? В главе 2 мы видели, что если поместить частицу в крошечную коробочку (или

в крошечное измерение), частица приобретает уйму дополнительной энергии. В нормальной обстановке мы увидим выражение этой энергии – частица начнет метаться туда-сюда. Единственная сложность состоит в том, что метаться она не может. А следовательно, дополнительная энергия становится, согласно великому уравнению E = mc , массой частицы.

Беда в том, что нужная для этого энергия примерно в 10²¹⁶ раз превышают энергии, которых мы способны добиться в БАК. Иначе говоря, эту теорию, по всей видимости, нельзя проверить экспериментально, так как еще очень и очень долго у нас не будет никакой технической возможности проделать такой эксперимент.

Что бы нам ни говорили, точность научной теории никогда не удается доказать. Если мы говорим, будто теория «верна», значит, нам не удалось ее опровергнуть. Признак хорошей научной теории – то, что ее сторонники должны придумать эксперимент или несколько экспериментов, в ходе которых теория может оказаться ошибочной, но не оказывается. Концепцию «опровергаемости», ставшую основой современной науки, ввел философ Карл Поппер. Это и есть главный недостаток так называемой теории разумного замысла. Недостаточно просто провозгласить, будто ваша теория верна, даже если она объясняет все наблюдаемые на сегодня феномены. Домашнее задание: придумать тест, а в идеале – много тестов, которые ваша теория может не пройти, и если она их не пройдет, вам придется признать, что вы заблуждались. Теория разумного замысла этого не делает.

Как обстоят дела с этим у теории струн? Вспомним некоторые популярные книги, вышедшие в последние годы, с названиями вроде «Даже не ошибка» (Питер Войт) или «Упрямая физика» [153] . Главная мысль обеих этих книг – что теорию струн можно привести в соответствие со стандартной моделью, причем нельзя поставить эксперимент, который бы ее опроверг. Отчасти сложность состоит в том, что единой версии теории струн не существует. Количество теорий струн на сегодняшний день колоссально – Смолин насчитывает 10 500, число настолько нелепое по размаху, что даже Знак, герой «Улицы Сезам», подумал бы о смене карьеры.

153

Woit, Peter. Not Even Wrong; Smolin, Lee. The Trouble with Physics.

Похоже, что под теорию струн со всеми ее вариантами вполне можно подогнать любые искажения физических законов. А мы надеялись на нечто прямо противоположное. В идеале мы хотели получить фундаментальный физический закон, который не только опишет все существующие законы физики, но и не потребует для этого никакой подгонки теории.

В результате нет никакого определенного представления о том, что такое теория струн, а следовательно – как ее проверить. Как пишет Смолин: «На сегодня нет никакой реальной возможности проделать эксперимент, который определенно подтвердил бы или опроверг какое бы то ни было конкретное предположение этой теории». Мы готовы сделать крупную ставку на то, что в обозримом будущем не будет проделан никакой опыт по исследованию количества измерений во Вселенной, так что даже если мы живем не в трехмерном мире, надо вести себя так, словно измерений именно три.

2. Что такое темная энергия?

Наблюдения показывают, что во Вселенной, похоже, существует невидимая, однако вездесущая темная энергия, которая подталкивает Вселенную к экспоненциальному расширению. Стандартная модель даже выдвигает кандидата, обладающего всеми качествами темной энергии. Это так называемая энергия вакуума, и, как мы видели, главная сложность состоит в том, что наша теория предполагает, будто ее примерно в 10 раз больше, чем показывают наблюдения. Мы бы еще пережили, если бы темная энергия равнялась нулю – это как-то «естественно». Но такое масштабное расхождение как-то нервирует. Одна из самых крупных проблем – то, что теории струн и квантовой гравитации нужно очень уж видоизменять, чтобы подогнать под ту плотность темной энергии, которую мы видим. По нашим представлениям, Теорию Всего можно было бы считать хорошей,

если бы плотность темной энергии следовала из нее сама собой, и это одна из первых проверок, которым следует подвергать подобные теории.

3. А чем нам не нравятся свободные параметры?

Пытаясь описать основные принципы, управляющие физикой, мы ловко обошли тот факт, что существует множество чисел, которые приходится просто вписывать от руки. Самые естественные числа – это те, которые представляют собой простое сочетание физических констант, а значит, мы были бы вправе предположить, будто все элементарные частицы обладают планковской массой – если бы у нас не было других данных. Нет, масса у них не планковская – поэтому мы вправе спросить, почему электрон настолько легче планковской массы, а нейтрино настолько легче электрона. Мы не знаем, откуда у электрона берется именно такой заряд, и пока что не знаем, почему сильное взаимодействие обладает именно такой силой.

В стандартную модель кроме этих коэффициентов входит еще уйма параметров, а в теории струн – еще больше. Например, мы упомянули о том, что различные нейтрино превращаются друг в друга и что существует некоторое численное соотношение, которое показывает вероятность этого перехода. Откуда берутся эти числа? Неизвестно. В целом в стандартную модель входит больше 20 свободных параметров – и это только стандартная модель. Среди них есть числа, которые с точки зрения всех наших фундаментальных теорий могут объясняться чем угодно.

Остается надежда, что Теория Всего, когда она наконец будет сформулирована, теоретически объяснит все свободные параметры. Но так ли это? В главе 8 мы говорили об условиях, которые должны были создаться на ранних стадиях существования Вселенной, чтобы зародилась разумную жизнь. Не исключено, что в разных вселенных и параметры разные, а в таком случае мы никогда не выявим «глубинную» причину, по которой фундаментальные параметры имеют именно те, а не иные значения. Лично нас это крайне огорчает, и мы надеемся, что до этого дело не дойдет.

Разумеется, мы можем заблуждаться.

Этот перечень никоим образом нельзя считать исчерпывающим. Самое прекрасное в физике – то, что всегда найдется новая задача, которая потребует немедленного внимания, сколько бы задач вы ни решили. Чем больше ответов на вопросы вы найдете, тем интереснее будет для вас следующий вопрос.

Ко всему прочему, Вселенная не статична. Ее жизнь устроена очень просто. Все меняется – постоянно, но (как правило) предсказуемо. А мы по традиции подсматриваем через дырочки в заборе и пытаемся сложить цельную картину из всего, что увидели.

Шесть невозможных физических открытий (и шесть крайне маловероятных в придачу)

Говорят, что нет ничего на свете невозможного, стоит только захотеть. Те, кто это говорит, – сборище идиотов. Мы со всем уважением относимся к ведущим тренингов по мотивации, но все же есть тонкое различие между тем, что кажется невозможным, и тем, что и вправду невозможно, – как есть тонкое различие между ужасно большим и бесконечным, хотя это не всегда удается понять. Например, нам очень-очень трудно двигаться со скоростью 99,99999 % скорости света, но технически это достижимо. А вот двигаться со скоростью 100,00001 % скорости света абсолютно невозможно, хотя это всего-навсего на 210 километров в час быстрее. Это не просто сложно, не просто интересная и трудная задача – это невозможно, что бы вы ни придумывали, как бы ни пыжились и как бы ни давили на газ. Поскольку в этой книге мы поговорили о многом, то хотели бы дать вам наглядную сводную таблицу невозможных вещей на тот случай, если вас втянут в занудный спор с каким-нибудь сторонником псевдонауки.

Якобы невозможно, а на самом деле возможно:

создать машину времени (вероятно);

что Вселенная расширяется быстрее скорости света;

быть в двух местах одновременно;

что Вселенная обладает более чем тремя пространственными измерениями;

параллельные вселенные и мультивселенная;

что Вселенная циклична;

В принципе невозможно:

при помощи машины времени изменить ход истории или вернуться в прошлое до того момента, как вы создали свою машину времени;

перегнать луч света – даже в расширяющейся Вселенной;

точно засечь, где находится электрон;

путешествовать в другие измерения – вы уже «находитесь» во всех измерениях во Вселенной;

посетить другую вселенную;

сказать что бы то ни было о времени до Большого взрыва – это такие же глупости, как говорить о направлении на юг, стоя на Южном полюсе.