Суперсила

Высочайшим проявлением сложной организации во Вселенной является жизнь, и потому чрезвычайно интересен вопрос, насколько наше собственное существование зависит от точной формы законов физики. Человеку для выживания необходимы в высшей степени специальные условия, и почти любые изменения в законах физики, в том числе самые незначительные изменения численных значений фундаментальных постоянных, полностью исключили бы существование известных нам форм жизни. Однако более интересен вопрос: а не сделали бы такие малые изменения невозможными любые формы жизни?
На этот вопрос трудно ответить, поскольку нет общепринятого определения жизни. Если все же согласиться с тем, что для жизни требуется по крайней мере наличие тяжелых атомов (например, углерода), то уже это налагает весьма строгие ограничения на некоторые фундаментальные постоянные. Например, слабое ядерное взаимодействие, ответственное за взрывы сверхновых, в которых тяжелые элементы выбрасываются в межзвездное пространство, не может, существенно изменив свою (наблюдаемую) величину, по-прежнему вызывать взрывы звезд.
Итак, совершенно очевидно, что существование большого числа важных физических систем во Вселенной – в том числе живых организмов – критически зависит от точной формы законов физики. Если бы Вселенная возникла с несколько иными законами, то не только мы и вряд ли кто другой) не могли бы оказаться тут и наблюдать Вселенную, но и сомнительна была бы сама возможность возникновения любых сложных структур.
На это иногда возражают, что если бы законы физики были иными, то это лишь означало бы, что иными были бы и системы, а если невозможной оказалась бы известная нам форма жизни, то вполне могла бы возникнуть другая форма жизни. Однако еще никто не пытался показать, что сложные системы вообще являются неизбежным (или даже вероятным) следствием действия физических законов; все имеющиеся в нашем распоряжении данные говорят о том, что многие сложные системы предельно чувствительны к реальному виду этих законов. Поэтому заманчиво считать, что сложная Вселенная возникнет только при условии, что законы физики чрезвычайно близки к реально существующим.
Следует ли из всего этого сделать вывод, что Вселенная – это результат предначертанного плана? Новая физика и новая космология выполняют свое заманчивое обещание объяснить возникновение всех физических систем во Вселенной автоматически, исключительно за счет естественных процессов. В этом случае нам уже не понадобится вмешательство «творца». Тем не, менее, хотя наука и в состоянии объяснить мир, еще остается дать объяснение самой науки. Законы, обеспечившие спонтанное возникновение Вселенной, по всей вероятности, сами рождены каким-то остроумнейшим планом. Но если физика – продукт подобного плана, то у Вселенной должна быть конечная цель, и вся совокупность данных современной физики достаточно убедительно указывает на то,что эта цель включает и наше существование.

Карр и Рис обнаружили, что существование сложных систем, по-видимому, критически зависит от численных значений, которые природа присвоила так называемым фундаментальным постоянным; именно эти значения определяют масштаб физических явлений. К числу фундаментальных постоянных относятся скорость света, массы субатомных частиц и несколько «констант связи», таких, как элементарный электрический заряд, от которых зависит величина различных взаимодействий с веществом. Фактические численные значения этих постоянных определяют основные особенности мира в целом – размеры атомов, ядер, планет и звезд, плотность вещества во Вселенной, время жизни звезд и даже размер животных.
Большинство встречающихся в природе сложных систем возникают в результате противоборства или баланса различных взаимодействий. Звезды, например, кажутся внешне спокойными; однако они представляют собой «поле битвы» четырех взаимодействий. Гравитация стремится сдавить звезды. С ней борется электромагнитная энергия, создавая внутреннее давление. Сама эта энергия высвобождается в ходе ядерных процессов, которыми управляют сильные и слабые ядерные взаимодействия. В этих условиях из-за переплетения конкурирующих процессов структура системы критически зависит от величины взаимодействий, а тем самым – от численных значений фундаментальных постоянных.
Астрофизик Брендон Картер, детально изучив звездное «поле битвы», обнаружил, что равновесие между гравитационными и электромагнитными взаимодействиями внутри звезд соблюдается почти с немыслимой точностью. Вычисления показывают, что изменение любого из взаимодействий всего лишь на 10-40 его величины повлекло бы за собой катастрофу для звезд типа Солнца.
Многие другие важные физические системы крайне чувствительны к самым малым изменениям относительной величины взаимодействий. Например, совсем небольшое относительное увеличение сильного взаимодействия привело бы к тому, что все ядра водорода во Вселенной были бы израсходованы в ходе Большого взрыва, оставив тем самым космос без важнейшего звездного топлива.

Пространственный и временной порядки – это не просто случайные особенности мира: оба этих порядка присущи фундаментальным физическим законам. Именно законы, а не конкретные физические системы заключают в себе поразительную упорядоченность мира. Эти законы вдвойне замечательны, поскольку допускают как порядок, выражающийся в пространственной и временной простоте, так и порядок, проявляющийся в сложной организации. Один и тот же набор законов обусловливает и простую форму кристаллов, и возникновение столь сложных систем, как живые организмы. Вполне можно представить и такую Вселенную, в которой законы допускали бы лишь простые типы поведения (например, регулярные движения планет), а чрезвычайно сложные структуры (например, полимеры, не говоря уже о ДНК) там не могли бы существовать. Действительно, кажется совершенно необычным, что столь простые законы современной физики обеспечивают все разнообразие и сложность реального мира. Но дело обстоит именно так.

Если мы не сомневаемся, что порядок, самосогласованность и гармония кроссворда свидетельствуют об изобретательности ума его создателей, то почему подобные сомнения считаются правомерными, когда речь идет о Вселенной? Почему свидетельство наличия «плана» столь убедительно в одном случае, но неубедительно в другом?
В XIX в. существование порядка и гармонии в природе часто использовалось теологами как свидетельство существования сверхъестественного творца. Одним из наиболее ярких выразителей этих взглядов был Уильям Пэли, проводивший аналогию между природными механизмами и часами. Пэли рассуждал так. Рассмотрим сложный механизм часов, состоящий из подогнанных друг к другу частей; естественно предположить, что часы сконструированы для определенной цели разумным существом. Сравнив часы с многочисленными чрезвычайно утонченными механизмами природы – такими, как порядок в расположении планет Солнечной системы или сложная организация живых существ, – Пэли пришел к выводу, что доказательство существования «разумного планирования» природы еще более убедительно, чем в случае часов.
Несмотря на внешнюю привлекательность, рассуждение Пэли, как и многие последующие попытки вывести наличие плана из рассмотрения явления природы, подверглись жесткой критике философов и ученых. Приведем лишь три из таких контрдоводов, используемых и по сей день: природе навязывают порядок, чтобы придать ей смысл; подобная аргументация не убедительна; существующий в природе порядок – явление чисто случайное, а не результат некоего плана.
Итак, прежде всего, навязываем ли мы природе порядок, чтобы придать ей смысл? Дело в том, что человеческий ум чрезвычайно склонен усматривать порядок в хаосе многочисленных данных, и это качество, по-видимому, даровано нам процессом эволюции как знак нашего преимущества над другими видами. Мы непрерывно получаем сложную информацию, которую мозг должен каким-то образом приводить в порядок, чтобы мы могли эффективно функционировать. Хорошим примером того, как человеческий разум обнаруживает порядок даже там, где его нет, могут служить знаменитые созвездия. Наши предки воспринимали хаотическое распределение звезд на небе как упорядоченную картину. Ведь в действительности не существует ни Большой Медведицы, ни Девы, ни Скорпиона – все это лишь случайный набор светящихся точек.
Тем не менее, применительно к науке этот аргумент не вполне убедителен. Существуют вполне объективные способы установить наличие порядка в физической системе. Так, упорядоченность живых организмов, очевидно, не плод нашего воображения. В фундаментальной физике законам природы соответствуют математические выражения, Которые зачастую известны математикам задолго до их применения к реальному миру. Математическое описание изобретается не просто для лаконичной формулировки законов природы. Часто совпадение свойств природы с конкретными математическими выражениями оказывается совершенно неожиданным. Структура математического описания выявляется по мере анализа физической системы.
Хорошим примером может служить описание взаимодействий природы в одиннадцатимерном пространстве. Математическое «чудо» заключается в том, что законы действия сил могут быть выражены через ранее неясные геометрические свойства многомерного пространства. Разумеется, это вызывает восхищение, однако обнаруженный здесь порядок не был кем-то навязан, а выявился в результате деятельного математического анализа.
Ни один физик никогда всерьёз не поверит, что предмет его исследований был попросту грудой неупорядоченных и бессмысленных фактов и что законы физики не знаменуют реального успеха в нашем понимании природы. Было бы нелепо предполагать, что вся наука – это просто измышление ума, имеющее к реальности не больше отношения, чем созвездие Рыбы к реальным рыбам.

Профессиональный ученый настолько поглощен изучением законов природы, что порой забывает, сколь замечательно само их существование. Поскольку наука основана на существовании рациональных законов, ученый редко задумывается о том, почему эти законы существуют. Подобно тому, как любитель кроссвордов заранее уверен в существовании ответов на все вопросы, ученый редко сомневается в наличии рациональных ответов на поставленные им вопросы.
Подобный дух рационализма пронизывает все западное индустриальное общество. Даже люди, далекие от науки, без особых размышлений принимают на веру упорядоченность Вселенной. Они знают, что Солнце каждое утро восходит «по расписанию», что камень неизменно падает вниз, а не вверх, а все механизмы вокруг них будут работать как положено, пока не сломаются. Свойственная физическому миру рациональность, взаимозависимость и упорядоченность считаются само собой разумеющимися. Это настолько вошло в повседневную жизнь, что редко вызывает хотя бы слабое удивление.

Как-то Стивен Вайнберг написал: «Чем понятнее кажется нам Вселенная, тем очевидней бесцельность ее существования». Вайнберг – один из ведущих физиков-теоретиков в мире, сделавший, вероятно, более чем кто-либо другой из физиков его поколения для объединения различных разделов физики. Один из авторов теории объединения электромагнитных и слабых взаимодействий, Вайнберг способен чрезвычайно квалифицированно оценить состояние дел в значительной части современной физики и космологии и сделать исходя из этого вполне обоснованные выводы. Его замечание по поводу Вселенной разделяют многие современные ученые, которые на основе своих исследований приходят к выводу об отсутствии какой-либо видимой цели существования Вселенной, что следует, таким, образом, рассматривать как грандиозное, но совершенно случайное событие.
Странно, однако, что другие ученые, основываясь на тех же принципах и экспериментальных данных, приходят к совершенно иным заключениям. Некоторые, подобно Эрвину Шрёдингеру, испытывают замешательство: «Я не знаю, откуда я пришел, куда иду и даже кто я такой». Эти ученые понимают, что природа слишком неуловима и сложна, и мы можем лишь вечно скользить поверх реальности, простирающейся над безграничной бездной истины. Мы можем надеяться лишь почувствовать проявление некоторых принципов, управляющих космосом, и изумиться их красоте. Наш кругозор слишком ограничен, чтобы проникнуть в суть столь глубоких проблем, как смысл и цель существования Вселенной.
Однако кое-кто из ученых придерживается более смелых и оптимистичных взглядов. Они также готовы признать, что наши знания о природе ограниченны и не вполне определенны, но твердо верят, что в конечном итоге нам удастся открыть действительно фундаментальные законы, управляющие Вселенной; Джон Уилер писал: «Однажды дверь, конечно, отворится и мы увидим сверкающий механизм нашего мира во всей его простоте и совершенстве».
Встречаются даже такие ученые, которые готовы предположить, что этот «сверкающий механизм» уже сейчас в наших руках. Вступая на пост руководителя люкасовской кафедры Кембриджского университета, которую некогда занимал Ньютон, Стивен Хокинг прочитал лекцию под названием: «Виден ли конец теоретической физики?» (Перевод этой лекции опубликован в журнале «Природа», № 5, 1382 ). В этой лекции Хокинг утверждает, что впервые за все время развития науки супергравитация дает возможность построить единую теорию природы, в которой все физические объекты и процессы описываются на основе одного математического принципа. Создание теории супергравитации явилось бы кульминацией развития физической науки. Такую теорию можно было бы считать не просто еще одним приближением на бесконечном пути к истине, а самой истиной. Мы могли бы быть убеждены в истинности этого самого последнего закона природы, как сегодня убеждены в правильности таблицы умножения.

Другие авторы – в частности, Фритьоф Капра в своей книге «Дао в физике» («Дао» означает свойственную восточной философии таинственность и магию, проявления которой автор усматривает в современной физике) и Гэри Зукав в книге «Дансинг By Ли Мастере» – подчеркивали наличие близких параллелей между квантовой физикой и восточным мистицизмом, в особенности в таких аспектах, как единство всего существующего и тонкие взаимосвязи между целым и его частями.
Мировоззрение целостности (холизм), подразумеваемое квантовой физикой, в большой степени является следствием нелокальности квантовых состояний (см. гл. 3). Напомним, что в опыте Эйнштейна, Подольского и Розена две частицы, находясь на большом расстоянии друг от друга, остаются тесно связанными между собой. В подобной ситуации неправомерно рассматривать каждую частицу как существующую независимо даже при вполне определенных условиях в отсутствие другой частицы.
В более общем смысле можно считать, что квантовая частица обладает вполне определенным признаком, например положением или состоянием движения, только при определенной экспериментальной ситуации, когда прибор специально предназначен для измерения соответствующего признака или свойства. Так, говорить о том, что частица находится в данном месте, имеет смысл только в том случае, если она является частью сложной системы, предназначенной для измерения ее положения. В отсутствие подобной измерительной установки все разговоры о положении частицы бессмысленны. Следовательно, мы можем определить положение квантовой частицы только в рамках макроскопической измерительной системы, которая сама содержит бесчисленное количество квантовых частиц. Положение частицы становится, таким образом, в действительности коллективным, или целостным (холическим), понятием.
Между реальностью микромира и обычным макромиром существует весьма тонкая связь. В конечном счете мы не можем отделить квантовую реальность от структуры всей Вселенной и состояние отдельной частицы имеет смысл, только когда она рассматривается в рамках единого целого. Микро– и макромиры переплетены друг с другом и их нельзя разделить.
Мысль о том, что во Вселенной существует всеобъемлющий и непричинный порядок, возникла отнюдь не с появлением современной физики. Например, астрология представляет собой попытку распознать космический «регламент», согласно которому земные дела людей находят отражение в расположении небесных тел. Психоаналитик Карл Юнг и физик Вольфганг Паули предложили принцип непричинной связи, который они назвали синхронизмом. Они обобщили факты, свидетельствующие о наличии некоего всеобщего порядка, согласно которому события внешне не зависимые оказываются, тем не менее, взаимосвязанными разумным образом. К событиям подобного рода относятся, например, официально зарегистрированные случаи необычайных совпадений, выходящих далеко за пределы случайности. Все эти идеи в популярной форме изложены Артуром Кестлером в книге «Причины совпадений»;
Эти идеи несут отпечаток некой парадоксальности, напоминая о философии дзен-буддизма и «странных петлях», о которых говорится в книге Дугласа Хофштадтера «Гёдель, Эшер, Бах». Целое содержит части, которые в свою очередь составляют целое. Прежде чем мы сможем приписать конкретную реальность атомам, составляющим Вселенную, нам необходима сама Вселенная в целом! Что же «первично – атомы или Вселенная? Ни то, ни другое. Большое и малое, глобальное и локальное, космос и атом – все это взаимосвязанные и неразделимые стороны объективной реальности. Одно не существует без другого. Старая идея редукционистов о том, что Вселенная – это просто сумма своих частей, полностью отвергнута современной физикой. Вселенная действительно обладает единством, причем гораздо более глубоким, чем простое выражение однородности Вселенной. Это единство подразумевает, что, не располагая всем, нельзя вообще ничего иметь.

Таким образом, наука рисует картину однородной, самосогласованной и простой в больших масштабах Вселенной. Если бы Вселенная расширялась с существенно разными скоростями в различных направлениях или имела области, сильно отличающиеся по плотности или распределению вещества, то вряд ли вообще существовала бы научная космология. (Строго говоря, наверное, не существовало бы и самих ученых.) Именно эти три особенности Вселенной – однородность, самосогласованность и простота – позволяют говорить о Вселенной как едином целом. До самого последнего времени природа этих особенностей Вселенной оставалась загадкой. Теперь мы знаем, что «инструкции» для создания самосогласованного, однородного космоса заключены в законах физики. Свойства Суперсилы определили развитие ранней Вселенной и организацию ее единой структуры, отличающейся простотой в больших масштабах.

Слово «Вселенная» ( Universe ) в английском языке имеет то же происхождение, что и «единство» ( unity ) или «единица» ( one ). Буквально оно означает единство, общность всех вещей, рассматриваемых как целое. Любопытно, что слово «целый» ( whole ) имеет один корень со словом «святой» ( holy ), что отражает глубоко таинственные и метафизические связи, с которыми имеет дело космология. Вплоть до XX в. познание Вселенной как целого в основном оставалось прерогативой религии. Научная космология как самостоятельная отрасль знания возникла сравнительно недавно.
Популярность космологии как среди ученых, так и среди широкой публики обусловлена ее своеобразной таинственностью. Многие вообще не видят серьезного различия между научной космологией, мистицизмом или сенсационными сторонами парапсихологии. Полагаю, что, несмотря на такую путаницу, всеобщий интерес к космологии сам по себе благо в нашем мире, где разобщенность и конфликты часто одерживают верх над единством.
Банальные рассуждения о Вселенной оттеснили на второй план, пожалуй, самый замечательный факт космологии – то обстоятельство, что понятие Вселенной вообще имеет смысл. Можно ли рассматривать все сущее как некое единое целое?
В этом вопросе заключен глубокий философский смысл. В основе науки лежат законы, подлежащие экспериментальной проверке. Научная теория дает последовательное описание тех или иных явлений природы, основанное на сумме не противоречащих друг другу принципов (выраженных преимущественно в математической форме). Цель теории заключается в создании модели определенной части физического мира; она сохраняет силу или, наоборот, отвергается в зависимости от своей пригодности. Чтобы определить, насколько модель близка к реальности, ученым приходится ставить эксперименты.
Если неоднократные эксперименты подтверждают точность модели, то доверие к теории растет, и она становится частью совершенного научного знания, оставаясь в этом качестве до тех пор, пока ей на смену не придет улучшенная, более точная или более глубокая теория.

Основная идея квантовой космологии состоит в применении квантовой теории к Вселенной в целом: к пространству-времени и веществу; особенно серьезно эту идею рассматривают теоретики. На первый взгляд здесь налицо противоречие: квантовая физика имеет дело с самыми малыми системами, тогда как космология – с самыми большими. Тем не менее Вселенная когда-то также была ограничена очень малыми размерами и, следовательно, тогда были чрезвычайно важны квантовые эффекты. Результаты вычислений говорят о том, что квантовые законы следует учитывать в эру ТВО (10^-32 с), а в эру Планка (10^-43 с) они, вероятно, должны играть определяющую роль. Как считают некоторые теоретики (например, Виленкин ), между этими двумя эпохами существовал момент времени, когда возникла Вселенная. По словам Сиднея Коулмена, мы совершили квантовый скачок из Ничего во Время. По-видимому, пространство-время представляет собой реликт этой эпохи. Квантовый скачок, о котором говорит Коулмен, можно рассматривать как своего рода «туннельный процесс». Мы отмечали, что в первоначальном варианте теории инфляции состояние ложного вакуума должно было туннелировать через энергетический барьер в состояние истинного вакуума. Однако, в случае спонтанного возникновения квантовой Вселенной «из ничего», наша интуиция достигает предела своих возможностей. Один конец туннеля представляет собой физическую Вселенную в пространстве и времени, которая попадает туда путем квантового туннелирования «из ничего». Следовательно, другой конец туннеля представляет собой это самое Ничто! Возможно, лучше было бы сказать, что у туннеля имеется лишь один конец, а второго просто «не существует».
Главная трудность этих попыток объяснить происхождение Вселенной состоит в описании процесса ее рождения из состояния ложного вакуума. Если бы вновь возникшее пространство-время оказалось в состоянии истинного вакуума, то инфляция никогда не смогла бы произойти. Большой взрыв свелся бы к слабому всплеску, а пространство-время спустя мгновение снова прекратило бы свое существование – его истребили бы те самые квантовые процессы, благодаря которым оно первоначально возникло. Не окажись Вселенная в состоянии ложного вакуума, она никогда не оказалась бы вовлеченной в космический бутстрэп и не материализовала бы свое иллюзорное существование. Возможно, состояние ложного вакуума оказывается предпочтительным благодаря характерным для него экстремальным условиям. Например, если Вселенная возникала при достаточно высокой начальной температуре, а затем остывала, то она могла бы даже «сесть на мель» в ложном вакууме, но пока многие технические вопросы такого типа остаются нерешенными.
Но как бы ни обстояло в действительности дело с этими фундаментальными проблемами, Вселенная должна тем или иным образом возникнуть, и квантовая физика представляет собой единственную область науки, в которой имеет смысл говорить о событии, происходящем без видимой причины. Если речь идет о пространстве-времени, то в любом случае бессмысленно говорить о причинности в обычном понимании. Обычно понятие причинности тесно связано с понятием времени, и потому любые соображения о процессах возникновения времени или его «выхода из небытия» должны опираться на более широкое представление о причинности.
Если пространство действительно десятимерно, то теория считает все десять измерений вполне равноправными на самых ранних стадиях. Привлекает возможность связать явление инфляции со спонтанной компактификацией (сворачиванием) семи из десяти измерений. Согласно такому сценарию, «движущая сила» инфляции представляет собой побочный продукт взаимодействий, проявляющихся через дополнительные измерения пространства. Далее десятимерное пространство могло бы естественно эволюционировать таким образом, что при инфляции три пространственных измерения сильно разрастаются за счет семи остальных, которые, напротив, сжимаются, становясь невидимыми? Таким образом, квантовый микропузырь десятимерного пространства сжимается, а три измерения благодаря этому раздуваются, образуя Вселенную: остальные семь измерений остаются в плену микрокосмоса, откуда проявляются лишь косвенно – в форме взаимодействий. Эта теория кажется очень привлекательной.
Несмотря на то, что теоретикам предстоит еще много работы по изучению природы очень ранней Вселенной, уже сейчас можно дать общий набросок событий, в результате которых Вселенная обрела наблюдаемый сегодня облик. В самом начале Вселенная спонтанно возникла «из ничего». Благодаря способности квантовой энергии служить своего рода ферментом, пузыри пустого пространства могли раздуваться со все возрастающей скоростью, создавая благодаря бутстрэпу колоссальные запасы энергии. Этот ложный вакуум, наполненный саморожденной энергией, оказался неустойчивым и стал распадаться, выделяя энергию в виде теплоты, так что каждый пузырек заполнился огнедышащей материей (файерболом). Раздувание (инфляция) пузырей прекратилось, но начался Большой взрыв. На «часах» Вселенной в этот момент было 10^-32 с.
Из такого файербола и возникла вся материя и все физические объекты. По мере остывания космический материал испытывал последовательные фазовые переходы. При каждом из переходов из первичного бесформенного материала «вымораживалось» все больше различных структур. Одно за другим отделялись друг от друга взаимодействия. Шаг за шагом объекты, которые мы называем теперь субатомными частицами, приобретали присущие им ныне черты. По мере того как состав «космического супа» все более усложнялся, оставшиеся со времен инфляции крупномасштабные нерегулярности разрастались в галактики. В процессе дальнейшего образования структур и обособления различных видов вещества Вселенная все больше приобретала знакомые формы; горячая плазма конденсировалась в атомы, формируя звезды, планеты и, в конечном счете, жизнь. Так Вселенная «осознала» самое себя.
Вещество, энергия, пространство, время, взаимодействия, поля, упорядоченность и структура – все эти понятия, заимствованные из «прейскуранта творца», служат неотъемлемыми характеристиками Вселенной. Новая физика приоткрывает заманчивую возможность научного объяснения происхождения всех этих вещей. Нам уже не нужно с самого начала специально вводить их «вручную». Мы можем увидеть, каким образом все фундаментальные свойства физического мира могут появиться автоматически как следствия законов физики, без необходимости предполагать существование крайне специфических начальных условий. Новая космология утверждает, что начальное состояние космоса не играет никакой роли, так как вся информация о нем стерлась в ходе инфляции. Наблюдаемая нами Вселенная несет на себе лишь отпечатки тех физических процессов, которые происходили с момента начала инфляции.
Тысячелетиями человечество верило в то, что «из ничего не родится ничто». Сегодня мы можем утверждать, что из ничего произошло все. За Вселенную не надо «платить» – это абсолютно «бесплатный ленч».