A Brief History of Time

Можно выдвинуть несколько возражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснения наблюдаемого состояния Вселенной. Во-первых, в каком смысле можно говорить, что все эти вселенные существуют? Если они действительно изолированы друг от друга, то события, происходящие не в нашей Вселенной, не могут иметь наблюдаемых следствий в нашей Вселенной. Поэтому нам следует воспользоваться принципом экономии и исключить их из теории. Если же эти вселенные – просто разные области одной и той же вселенной, то научные законы должны быть одинаковы в каждой области, потому что иначе был бы невозможен непрерывный переход из одной области в другую. Тогда области отличались бы друг от друга только начальными конфигурациями и сильный антропный принцип сводился бы к слабой формулировке.
Второе возражение против сильного антропного принципа – это то, что он направлен против хода всей истории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картине мира, согласно которой Земля является планетой среднего размера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральной галактики, которая в свою очередь является всего лишь одной из миллиона миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной. Тем не менее, согласно сильному антропному принципу, все это гигантское сооружение существует просто ради нас. В это очень трудно поверить. Наша Солнечная система безусловно является необходимым условием нашего существования; те же самые рассуждения можно распространить на всю нашу Галактику, чтобы учесть звезды раннего поколения, благодаря которым произошел синтез тяжелых элементов. Но, по-видимому, нет никакой необходимости в том, чтобы все эти другие галактики, да и вся Вселенная были такими однородными и одинаковыми в больших масштабах в любом направлении.

Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна в пространстве или во времени, условия, необходимые для развития разумных существ, будут выполняться только в некоторых областях, ограниченных в пространстве и времени. Поэтому разумные существа в этих областях не должны удивляться, обнаружив, что та область, где они живут, удовлетворяет условиям, необходимым для их существования. Так богач, живущий в богатом районе, не видит никакой бедности вокруг себя.
Один из примеров применения слабого антропного принципа – «объяснение» того, что большой взрыв произошел около десяти тысяч миллионов лет назад: примерно столько времени требуется разумным существам для их развития.
...
Некоторые же идут значительно дальше, предлагая его сильный вариант. Он заключается в том, что существует либо много разных вселенных, либо много разных областей одной вселенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этих вселенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь в нескольких, похожих на нашу, вселенных смогли развиваться разумные существа, и у этих разумных существ возник вопрос: «Почему наша Вселенная такая, какой мы ее видим?» Тогда ответ прост: «Если бы Вселенная была другой, здесь не было бы нас!»

Словарь терминов
Абсолютный нуль – самая низкая возможная температура, при которой вещество не обладает тепловой энергией.
Античастица. У каждой частицы вещества есть соответствующая античастица. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия.
Антропный принцип. Мы видим Вселенную такой, какова она есть, потому что нас не было бы здесь, если бы она была иной, и мы бы не могли ее наблюдать.
Атом – основная частица обычного вещества. Состоит из крошечного ядра (из протонов и нейтронов), окруженного обращающимися вокруг него электронами.
Белый карлик – устойчивая и холодная [по меркам звездных температур] звезда, равновесие которой поддерживается благодаря отталкиванию электронов, вызванному принципом запрета Паули.
Большое сжатие – сингулярность в конце существования Вселенной.
Большой взрыв – сингулярность в момент возникновения Вселенной.
Вес – сила, с которой на тело действует гравитационное поле. Вес тела пропорционален массе тела, но они не тождественны.
Виртуальная частица. В квантовой механике это частица, которую невозможно зарегистрировать непосредственно, но существование которой имеет измеримые проявления.
Гамма-излучение – электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, испускаемое при радиоактивном распаде и столкновениях элементарных частиц.
Геодезическая – самый короткий (или самый длинный) путь между двумя точками.
Голая сингулярность – сингулярность в пространстве-времени, не расположенная внутри черной дыры, то есть не скрытая горизонтом событий.
Горизонт событий – граница черной дыры.
Длина волны – расстояние между двумя соседними впадинами или между двумя соседними гребнями волны.
Дуализм – соответствие между внешне разными теориями, которые приводят к идентичным физическим результатам.
Закон сохранения энергии – закон природы, согласно которому энергия (или ее массовый эквивалент) не может ни создаваться, ни уничтожаться.
Квант – минимальная порция волны, которая может участвовать в излучении или поглощении.
Квантовая механика – теория, разработанная на основе квантовомеханического принципа Планка и принципа неопределенности Гейзенберга.
Квантовая хромодинамика (КХД) – теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов.
Квантовомеханический принцип Планка состоит в том, что свет (или любые другие классические волны) может испускаться или поглощаться только дискретными порциями – квантами – с энергией, пропорциональной их частоте.
Кварк – [заряженная] элементарная частица, участвующая в сильном взаимодействии. Каждый протон и нейтрон состоит из трех кварков.
Координаты – числа, задающие положение точки в пространстве и во времени.
Корпускулярно-волновой дуализм – принцип квантовой механики, согласно которому не существует различия между частицами и волнами – частицы могут иногда вести себя как волны, а волны – как частицы.
Космологическая постоянная – математическое ухищрение, использованное Эйнштейном для объяснения тенденции пространства-времени к расширению.
Космология – наука, которая занимается изучением Вселенной как целого.
Красное смещение – вызванное эффектом Доплера покраснение света, испускаемого удаляющейся от нас звездой.
Кротовая нора – тонкая трубка в пространстве-времени, соединяющая удаленные друг от друга области Вселенной. Кротовые норы также могут обеспечивать связь с параллельными или дочерними вселенными и возможность путешествий во времени[46].
Магнитное поле – поле, ответственное за магнитное взаимодействие. Сейчас магнитное поле и электрическое поле рассматриваются как части единого электромагнитного поля[47].
Масса – мера количества содержащегося в теле вещества. Является мерой инерции тела, или степени его сопротивления ускорению.
Мнимое время – время, измеряемое комплексными числами.
Мост Эйнштейна – Розена – тонкая трубка в пространстве-времени, соединяющая две черные дыры. См. также: Кротовая нора.
Нейтрино – чрезвычайно легкая (возможно, не имеющая массы покоя[48]) элементарная частица вещества, участвующая только в слабых и гравитационных взаимодействиях.
Нейтрон – незаряженная частица, очень близкая по свойствам к протону. Нейтроны, как правило, составляют немногим более половины частиц, входящих в состав большинства атомных ядер.
Нейтронная звезда – компактная звезда, удерживаемая от сжатия за счет отталкивания нейтронов, обусловленного принципом запрета Паули.
Общая теория относительности (ОТО) – теория, созданная Эйнштейном и основанная на предположении, что законы природы должны быть одинаковы для всех наблюдателей независимо от того, как они движутся. В ОТО гравитационное взаимодействие объясняется через искривление четырехмерного пространства-времени.
Первичная черная дыра – черная дыра, возникшая на очень ранней стадии развития Вселенной.
Позитрон – (положительно заряженная) античастица электрона.
Поле – нечто, существующее во всем пространстве-времени, в отличие от частицы, которая в каждый момент существует только в одной точке.
Предел Чандрасекара – максимально возможная масса устойчивой звезды, выше которой звезда должна сколлапсировать в черную дыру[49].
Принцип запрета Паули. Две одинаковые частицы со спином 1/2 не могут (в пределах, определяемых принципом неопределенности) одновременно иметь одинаковое положение в пространстве и одинаковую скорость.
Принцип неопределенности – сформулированный Гейзенбергом принцип, согласно которому никогда нельзя с одинаковой уверенностью определить положение и скорость частицы; чем точнее известен один из этих параметров, тем с меньшей точностью можно определить другой.
Пропорциональность. «X пропорционально Y» означает, что при умножении Y на какое-либо число X умножается на это же число. Утверждение «X обратно пропорционально Y» означает, что при умножении Y на какое-либо число X делится на это же число.
Пространственное измерение – любое из трех пространственноподобных измерений пространства-времени, то есть любое измерение, кроме временнóго.
Пространство-время – четырехмерное пространство, точки которого соответствуют событиям.
Протон – положительно заряженная частица, очень похожая на нейтрон. Протоны составляют примерно половину всех частиц, входящих в состав ядер большинства атомов.
Пульсар – вращающаяся нейтронная звезда, которая излучает импульсы радиоизлучения через регулярные промежутки времени.
Радар – система, которая определяет положение объектов с помощью радиоимпульсов, измеряя время между излучением импульса и приемом отраженного от объекта сигнала.
Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомного ядра одного типа в атомное ядро другого типа.
Световая секунда (световой год) – расстояние, которое свет проходит за одну секунду (за один год).
Световой конус – поверхность в пространстве-времени, образованная возможными направлениями световых лучей, проходящих через данное событие.
Сильное взаимодействие – самое сильное и самое короткодействующее из четырех фундаментальных взаимодействий. Благодаря сильному взаимодействию кварки удерживаются внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра.
Сингулярность – точка в пространстве-времени, в которой кривизна пространства-времени становится бесконечной.
Слабое ядерное взаимодействие – второе по слабости из четырех фундаментальных взаимодействий. Обладает очень коротким радиусом действия. В слабом взаимодействии участвуют все частицы вещества, но не участвуют частицы-носители взаимодействий.
Событие – точка в пространстве-времени, которая задается положением в пространстве и временем.
Спектр – набор компонент с разными частотами, составляющий волну. Видимую часть солнечного спектра можно наблюдать в виде радуги.
Специальная теория относительности – теория Эйнштейна, в основе которой лежит постулат, согласно которому в отсутствие сил гравитации законы природы должны быть одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости.
Спин – внутреннее свойство элементарной частицы, аналогичное вращению вокруг собственной оси, но не совпадающее с этим понятием.
Стационарное состояние – состояние, которое не меняется со временем; так, вращающийся с постоянной скоростью шар находится в стационарном состоянии, потому что, несмотря на вращение, выглядит одинаково в каждый момент.
Темное вещество – вещество в галактиках, скоплениях галактик и, возможно, в пространстве между скоплениями, которое не наблюдается непосредственно, но обнаруживается по гравитационному воздействию. На темное вещество приходится до 90 % массы всего вещества во Вселенной.
Теорема о сингулярности – теорема, в которой доказывается неизбежность существования сингулярности при определенных условиях. В частности, начало Вселенной должно было представлять собой сингулярность.
Теория великого объединения – теория, объединяющая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.
Теория струн – физическая теория, в которой частицы описываются как волны на струнах. У струн есть длина, но они имеют ничтожно малую протяженность по другим измерениям.
Ускорение – показатель изменения скорости объекта.
Ускоритель частиц – устройство, в котором движущиеся заряженные частицы ускоряются при помощи электромагнитов.
Условие отсутствия границ – гипотеза, согласно которой Вселенная конечна, но не имеет границ (в мнимом времени).
Фаза – для волны – положение в цикле в определенный момент времени; мера того, соответствует ли это положению на гребне, во впадине или в каком-то промежуточном месте.
Реликтовое излучение – излучение, возникшее при свечении горячей ранней Вселенной. Из-за сильного красного смещения наблюдается в настоящее время не в виде света, а как излучение в микроволновом (точнее, миллиметровом) диапазоне.
Фотон – квант света.
Частота – для волны – число полных циклов в секунду.
Черная дыра – область пространства-времени со столь сильным полем тяготения, что ничто, даже свет не может выбраться из нее наружу.
Электрический заряд – свойство частицы, благодаря которому она отталкивает (или притягивает) другие частицы, имеющие заряд того же (или противоположного) знака.
Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие, которое возникает между электрически заряженными частицами. Второе по силе из четырех фундаментальных взаимодействий.
Электрон – частица с отрицательным электрическим зарядом, обращающаяся в атоме вокруг ядра.
Элементарная частица – частица, которая считается неделимой.
Энергия великого объединения – энергия, выше которой, как считается, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия становятся неразличимыми.
Энергия электрослабого объединения – энергия (около 100 ГэВ), выше которой исчезают различия между электромагнитным и слабым взаимодействиями.
Эффект Казимира – взаимное притяжение между двумя плоскими параллельными металлическими пластинами, размещенными очень близко друг к другу в вакууме. Притяжение возникает из-за уменьшения числа виртуальных фотонов в пространстве между пластинами.
Ядерный синтез – процесс столкновения и слияния двух ядер с образованием одного более тяжелого ядра.
Ядро – центральная часть атома, которая состоит только из протонов и нейтронов, удерживаемых сильным ядерным взаимодействием.

Даже если есть всего одна возможная единая теория, это всего лишь набор правил и уравнений. Что же вдыхает жизнь в уравнения? Из чего рождается Вселенная, которую они описывают? Традиционный научный подход, который состоит в создании математической модели, не может ответить на целый ряд вопросов: почему вообще должна существовать описываемая моделью вселенная? почему Вселенная вообще существует? действительно ли единая теория сама есть причина своего существования? или ей требуется творец? а если так, то оказывает ли он еще какое бы то ни было влияние на Вселенную? и кто создал творца?
До сих пор большинство ученых были слишком заняты построением новых теорий, должных указать, что есть Вселенная, и им совсем некогда было задуматься над вопросом, почему она именно такова. С другой стороны, те, кто должен был смотреть на проблему именно с этого угла, то есть философы, не могли поспеть за прогрессом научных теорий. В XVIII веке философы почитали все знания, включая научные, относящимися к сфере их компетенции и рассуждали о том, было ли у Вселенной начало. Но в XIX и XX веках наука стала слишком сложной для философов – и технически, и математически, – да и для всех, кроме немногих специалистов. Философы так ограничили круг своих интересов, что Людвиг Витгенштейн – самый известный философ XX века – сказал как-то: «Единственное, что остается философии, – это изучение языка». Вот уж действительно, куда все скатилось – от некогда великой традиции, от Аристотеля и Канта!
Но если мы все же построим полную теорию, то она со временем должна стать понятна – если не касаться частностей – всем, не только ученым. И тогда мы – философы, ученые и обычные люди – сможем принять участие в дискуссии о том, почему существует Вселенная и почему существуем мы сами. Если мы найдем ответ на этот вопрос, это ознаменует триумф человеческого разума: ведь мы поймем, чего хочет Бог.

Мы живем в ошеломляющем мире. Мы хотим понять смысл того, что видим вокруг себя, и спросить: какова природа Вселенной? каково наше место в ней? откуда она и мы появились? почему все именно таково, каково есть?
В попытке ответить на эти вопросы мы принимаем некую картину мироздания. Это может быть бесконечная башня из черепах, на которой покоится плоская Земля, а может быть и теория суперструн. Все это теории Вселенной, правда, вторая описана при помощи математических уравнений, она более точная, чем первая. Ни одну из них однако не подкрепляют данные наблюдений: никто никогда не видел гигантской черепахи, несущей на спине Землю, равно как никто не видел и суперструн. И все же «черепаховую» версию нельзя считать хорошей научной теорией, потому что она предрекает, что кто-то таки может упасть с края света. Это не подтверждается нашим опытом, если, конечно, мы не собираемся таким образом объяснить исчезновения людей в Бермудском треугольнике!

Что может означать создание окончательной теории Вселенной? Как мы уже выяснили в первой главе, мы никогда не сможем окончательно убедиться в правильности наших построений, поскольку нельзя получить доказательств. Но если теория непротиворечива с точки зрения математики и все ее предсказания согласуются с наблюдениями, то можно считать ее правильной с некоторой уверенностью. Это ознаменует конец долгой и славной эпохи в истории человечества, отмеченной отчаянными попытками умом объять Вселенную. Создание такой теории также коренным образом изменит представления обычных людей о законах, которые управляют космосом. Во времена Ньютона образованный человек мог получить представление обо всем объеме человеческих знаний, во всяком случае, в общих чертах. Но с тех пор прогресс науки ускорился настолько, что это стало невозможным. Теории постоянно корректируют, чтобы «совместить» их с результатами наблюдений, и поэтому ученые не успевают переосмыслить и упростить новые соображения, чтобы они стали понятными для обычных людей. Нужно быть специалистом, но даже и он может в полной мере осознать лишь небольшую часть научных теорий. К тому же наука развивается столь стремительно, что полученные в школе и университете знания довольно быстро устаревают. Немногие способны поспевать за удаляющимся передним краем познания, а потому большинству ученых приходится посвящать все свое время исследованиям в небольшой научной области. Все прочие имеют очень невнятное представление об их достижениях и том трепете, который они вызывают. С другой стороны, если верить Эддингтону, 70 лет назад лишь два человека понимали общую теорию относительности. Теперь она доступна десяткам тысяч выпускников университетов, и миллионы людей могут сказать, что по крайней мере знакомы с ней. Если полная единая теория будет построена, то ее упрощенное, популярное изложение, которое включат – хотя бы в общих чертах – в школьную программу – это всего лишь вопрос времени. И тогда мы все сможем судить о законах, управляющих Вселенной и ответственных за само наше существование.
Но даже если полная единая теория будет создана, это не значит, что мы в целом сможем предсказывать события. Причин на то две. Во-первых, это ограничения, которые накладывает квантовомеханический принцип неопределенности на нашу способность предсказывать. Обойти его невозможно. Но на практике первое ограничение даже не такое сильное, как второе: мы, скорее всего, не сможем получить точные результаты для уравнений единой теории, за исключением самых простых случаев. (Мы не в состоянии даже выполнить точный расчет движения трех тел в ньютоновской теории тяготения, и сложность задачи растет с увеличением числа задействованных тел и сложности теории.) Мы уже знаем законы, которые управляют поведением вещества во всех условиях, кроме экстремальных. В частности, мы знаем фундаментальные законы, лежащие в основе химии и биологии. И при этом мы пока не можем считать все проблемы в этих областях науки решенными: у нас не очень-то получается предсказывать человеческое поведение на основании математических уравнений! А потому, даже если мы и выведем все фундаментальные законы, потребуется много лет, чтобы справиться с труднейшей интеллектуальной задачей – разработать более совершенные методы аппроксимации, которые позволят делать эффективные предсказания вероятных исходов в сложных реальных ситуациях. Полная непротиворечивая единая теория – это всего лишь первый шаг. Наша цель – полное понимание мира вокруг нас и нашего собственного существования.