10. Всё ещё неизвестная Вселенная.

В июле 2010 г. редактор журнала The New York Review of Books Роберт Сильверс обратился ко мне с просьбой написать рецензию на новую книгу Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Высший замысел» (The Grand Design, Bantam Books, 2011)[73]. Обычно я рецензирую книгу только в том случае, когда вижу, что это даст мне возможность высказаться по некоторой интересующей меня проблеме. Пролистывая присланный Сильверсом сигнальный экземпляр, я понял, что в книге рассматривается по-настоящему серьезный вопрос, который занимал меня многие годы: действительно ли то скопление галактик, которое мы наблюдаем вокруг нас, расширяется во всех направлениях на миллиарды световых лет и представляет собой всю Вселенную, или это лишь часть одной из множества подобных вселенных, составляющих Мультивселенную, в которой фундаментальные физические константы имеют различные значения и, возможно, даже сами законы природы принимают разные формы?

Мы не знаем, является ли гипотеза о Мультивселенной верной, но она не лишена смысла. Существует целый ряд гипотетических теорий (теория струн, инфляционная модель и т. п.), которые подразумевают существование Мультивселенной. Никто точно не знает, действительно ли мы живем в Мультивселенной, но если это так, то мы можем сделать важный вывод, который не зависит от того, какая фундаментальная теория лежит в ее основе. Очевидно, что, если физические константы и законы в разных вселенных отличаются, то те константы и законы, которые мы наблюдаем, должны обеспечивать возможность существования разумной жизни в соответствующей вселенной. Таким образом, если окажется, что наблюдаемые нами физические константы и законы идеально подходят для возникновения разумной жизни, тогда нам уже не нужно будет искать объяснение в виде некоторого благожелательного создателя; просто в Мультивселенной все именно так и должно быть. Подобные рассуждения были предложены в качестве возможного объяснения тому факту, что количество темной энергии намного меньше, чем можно было бы ожидать, руководствуясь любыми другими теориями.

Моя рецензия была опубликована в журнале The New York Review of Books 10 февраля 2011 г. Как отмечено в тексте рецензии, некоторых религиозных деятелей расстроила подобная «антропная» аргументация. Однако я не упомянул в рецензии, что расстроились и некоторые хорошие ученые. Я слышал, что Дэвид Гросс (один из создателей современной теории сильного ядерного взаимодействия, директор Института теоретической физики им. Кавли в Санта-Барбаре) сказал о теории Мультивселенной: «Ненавижу ее». Причина понятна. Мы, физики, надеемся, что однажды поймем значение фундаментальных констант, исходя из первых основополагающих принципов, без привлечения антропных аргументов, которые никогда не дадут нам ничего лучше, чем диапазон ожидаемых значений. И я определенно разделяю эту надежду. А вот чего я не разделяю, так это опасений о том, что антропные аргументы слишком расслабят физиков и те откажутся от дальнейших поисков основополагающих принципов, которые смогут объяснить все, что мы наблюдаем. В недавней статье в Nature астроном из Гарварда Ави Лёб представил точку зрения, согласно которой антропный аргумент «сдерживает столь необходимые попытки объяснить темную энергию через альтернативную теорию, которая объединит квантовую механику и гравитацию»[74]. Я не знаю ни одного теоретика, который не предпочел бы такую альтернативную теорию антропному объяснению и согласился бы с тем, что нам нужно отказаться от дальнейших поисков такой теории. Да, это нелегкий поиск, и мы даже точно не знаем, существует ли то, что мы ищем.

В 1992 г. я вместе с другими физиками участвовал в лоббировании финансирования строительства мощного ускорителя элементарных частиц, Сверхпроводящего суперколлайдера. У нас родилась блестящая идея провести семинар для членов палаты представителей, на котором мы объяснили бы важность такой установки для научных исследований. На семинар пришли три конгрессмена. После нашего выступления представитель демократов из Мэриленда сказал нам, что поддержит суперколлайдер, если мы сможем заверить его в том, что это поможет работе Стивена Хокинга.

Этот эпизод показывает, что Хокинг как ученый достиг того уровня популярности, выше которого в ХХ в. удалось взобраться только Альберту Эйнштейну и, может быть, Мари Кюри и Ричарду Фейнману. Я не говорю, что слава Хокинга незаслуженная. Будучи еще совсем молодым человеком, он представил блестящую математическую работу (выполненную совместно с Роджером Пенроузом), в которой доказал, что, согласно ОТО, существуют условия, когда коллапс, то есть бесконечное сосредоточение энергии в бесконечно искривленном пространстве-времени, становится неизбежным. Позже он показал, что черные дыры излучают энергию, и теперь это излучение называется излучением Хокинга. Он был одним из первых, кто использовал квантовую механику для расчета свойств флуктуаций распределения энергии в ранней Вселенной, тех самых малых флуктуаций, которые в итоге привели к образованию галактик, наблюдаемых нами сегодня. Всего этого и даже большего Хокинг достиг несмотря на свою прогрессирующую болезнь, которая сломила бы любого, не обладающего столь выдающимся мужеством.

Книга Хокинга, выпущенная в 1988 г., имела ошеломительный успех, настолько огромный, что в течение некоторого времени после ее выхода издатели выдавали авторам других научно-популярных книг (в том числе и мне) нереальные авансы в тщетной надежде добиться столь же высоких продаж. Недавно Хокинг предложил вниманию массового читателя новую книгу «Высший замысел» (The Grand Design), на этот раз написанную в соавторстве с физиком из Калифорнийского технологического института Леонардом Млодиновым.

В рецензиях на эту книгу, которые я видел, преимущественно говорится об отсутствии Бога во Вселенной Хокинга, как будто в этом есть что-то удивительное[75]. Подобная реакция на книгу кажется мне довольно глупой. Основная мысль Хокинга состоит в том, что для понимания устройства космоса Бог нам не требуется. Ученые могут спорить о том, насколько хорошо мы понимаем космос, но лишь немногие из них чувствуют, что для заполнения белых пятен необходим именно Бог. В книге «Кратчайшая история времени» (A Brief History of Time)[76], посвященной возможному будущему открытию полной теории материального мира, Хокинг написал, что «тогда мы познаем сознание Бога». Но это была просто метафора, как и высказывание Эйнштейна о том, что Бог не играет в кости со Вселенной. В «Высшем замысле» Хокинг избегает подобных метафор, вероятно чтобы не допустить неверного толкования своих слов.

Один из обсуждаемых Хокингом в книге вопросов имеет прямое отношение к религии. Я имею в виду авторскую трактовку набирающей популярность среди физиков идеи о том, что расширяющееся облако галактик, которое мы называем Вселенной, простирающейся на десятки миллиардов световых лет во всех направлениях, может оказаться только частью гораздо более масштабной Мультивселенной. Предполагается, что Мультивселенная содержит множество других частей, которые тоже можно назвать вселенными, где даже законы природы могут кардинально отличаться от наблюдаемых нами.

Если гипотеза о Мультивселенной верна, тогда тот факт, что наблюдаемые законы природы благоприятствуют возникновению жизни, теряет свой особый смысл, который воспринимается некоторыми как доказательство существования Божественного творца. Например, если бы один из двух кварков, составляющих атомное ядро, был намного тяжелее или намного легче другого, тогда в стабильном состоянии могли бы существовать всего несколько химических элементов, а вовсе не то богатое меню имеющихся элементов, которые, видимо, необходимы для жизни. Выводы Хокинга из подобных примеров идут дальше моих: для того чтобы обеспечить изобилие химических элементов, необходимых для жизни, строгая и точная подстройка массы кварков не нужна.

Однако один из приведенных Хокингом примеров демонстрирует действительно тонкую настройку фундаментальных физических констант, без которой появление жизни оказалось бы невозможным. Пример этот связан с темной энергией, энергией пустоты. В 1998 г. астрономы обнаружили, что скорость расширения Вселенной растет, и это ускорение обычно объясняют существованием темной энергии. Однако есть некоторая странность в количестве этой самой темной энергии. Мы можем рассчитать отдельные слагаемые, определяющие количество темной энергии (фактически эти расчеты были выполнены несколькими физиками-теоретиками еще до 1998 г.). Оказалось, что величина рассчитанных слагаемых настолько велика, что если они не компенсируются какими-то другими отрицательными вкладами, то скорость расширения Вселенной должна быть намного выше наблюдаемого значения: при столь быстром расширении формирование удерживаемых гравитацией систем, таких как галактики, звезды и планеты, было бы невозможным. Компенсация в принципе возможна, поскольку существуют другие составляющие общего баланса темной энергии, которые мы не можем рассчитать отчасти потому, что они зависят от неизвестных нам факторов, и именно эти составляющие могли бы компенсировать рассчитанные нами вклады в балансе темной энергии. (Одним из таких неизвестных нам факторов, влияющих на количество темной энергии, является величина так называемой космологической константы, предложенной Эйнштейном в 1917 г. и использованной для модификации уравнений, описывающих гравитационное поле в рамках общей теории относительности.) Для того чтобы образование удерживаемых гравитацией систем было возможно, а скорость расширения Вселенной соответствовала наблюдаемой, фундаментальные физические константы, например космологическая постоянная, должны быть очень точно подстроены. Их значения должны быть такими, чтобы компенсация вкладов в балансе темной энергии осуществлялась с точностью до 56 значащих цифр.

С другой стороны, Мультивселенная должна состоять из огромного множества частей, поэтому такие величины, как масса кварков, космологическая постоянная Эйнштейна и другие физические константы, будут иметь широкий диапазон возможных значений. Весьма вероятно, что в большинстве этих частей Мультивселенной физические константы вроде массы кварков, космологической постоянной и даже, возможно, размерности пространства принимают значения, при которых возникновение жизни невозможно. Но при достаточно широком диапазоне значений этих констант, характерных для различных частей Мультивселенной, обязательно найдутся такие области, в которых может возникнуть жизнь. Очевидно, что не стоит удивляться и искать космической щедрости в том, что мы оказались в одном из таких благословенных миров, как не стоит искать признаки существования Божественного творца в том, что среди миллиардов планет, входящих в Галактику, наша эволюция произошла на одной из немногих, пригодных для жизни. Ну а где же еще нам быть, кроме как на планете, способной поддерживать условия для жизни?

Хокинг цитирует известное высказывание архиепископа Вены, который в 2003 г. обрушился с критикой на гипотезу Мультивселенной как нечто «выдуманное для отвлечения внимания от ошеломляющих научных доказательств высшего замысла». Неплохо. По словам Хокинга, гипотеза Мультивселенной предложена не для того, чтобы объяснить чудо тонкой подстройки. Он рассматривает два разных направления мысли, которые привели физиков к формулировке гипотезы Мультивселенной, и ни одно из них никак не было связано с обоснованием условий, необходимых для жизни.

Одно из направлений возникло в рамках хаотической теории инфляции, разработанной Андреем Линде. Инфляцией называется экспоненциально быстрое расширение Вселенной на ранней стадии ее существования, подобное росту суммы денег на банковском счете при условии начисления 100 % дохода каждые 10^–38 с[77]. Современная наука считает, что такой экспоненциальный рост предшествовал более стабильной поздней стадии расширения Вселенной. Согласно первоначальной идее Алана Гута (которая до сих пор используется в большинстве расчетов), инфляция должна была происходить равномерно во всем пространстве. Однако ни одна теория не описывает подобную однородность. Кажется более естественным предположить, что на очень больших масштабах Вселенная, пронизанная бурно флуктуирующими полями, хаотична и что только по чистой случайности в некоторых областях пространства время от времени возникают условия, позволяющие им экспоненциально расширяться. В редких случаях такие области вырастают в нечто, составляющее нашу Вселенную, в которой возможно существование жизни.

Еще одна гипотеза о Мультивселенной пришла из квантовой механики — математической основы для всех областей физики. Самой большой странностью квантовой механики является так называемая суперпозиция состояний. Иногда (а точнее, почти всегда) частица не занимает какое-то конкретное положение в пространстве, а находится в суперпозиции, и тогда измерение положения частицы может дать любой из возможных результатов с той или иной вероятностью, в зависимости от природы суперпозиции. В принципе, как заметил в свое время Эрвин Шрёдингер, даже кот может быть в суперпозиции состояний, в одном из которых он жив, а в другом — мертв. Аналогично все мироздание может находиться в суперпозиции множества различных состояний, в которых физические константы, такие как масса кварков, принимают самые разные значения, и лишь малая доля этих состояний обеспечивает условия для возникновения жизни.

Все это лишь умозрительные гипотезы, но они не уникальны. Эти теории широко обсуждаются физиками. Хокинг занял несколько необычную позицию, выдвинув предположение о том, что Мультивселенная образовалась в результате квантово-механической суперпозиции состояний, поскольку на самой ранней стадии формирования Вселенной все ее четыре измерения были пространственными, а времени не существовало. Я даже не буду пытаться объяснять, как это устроено, поскольку не считаю эту гипотезу убедительной. Действительно, Хокинг показал, что для удобства вычислений при анализе процессов в ранней Вселенной можно математически преобразовать временное измерение в пространственное. Однако это не означает, что в ранней Вселенной время на самом деле было пространством. В 1950-х гг. другие теоретики, среди которых был Джулиан Швингер, рассчитали тонкие эффекты атомной физики и физики частиц, используя такое преобразование временно́го измерения в пространственное, однако полезность этого математического приема не изменяет того факта, что сегодня мы живем в мире, имеющем три пространственных измерения и одно временное.

В последние годы гипотеза Мультивселенной получила широкую поддержку благодаря развитию так называемой теории струн. Теперь принято считать, что все известные варианты теории струн и множества других теорий представляют собой приближенные решения некоторой неизвестной фундаментальной теории, которую Хокинг называет М-теорией. Эти приближенные решения описывают разные наборы частиц или полей или мембраны в пространственно-временных системах различных размерностей, характеризующихся разным набором фундаментальных физических констант. Предположительно эти многочисленные решения М-теории, реализуются в разных частях Мультивселенной.

Хокингу удается создать видимость, что эта фундаментальная теория понятнее, чем есть на самом деле, когда говорит, что она описывает 11-мерное пространство-время. Термин «М-теория» был предложен Эдвардом Виттеном в 1995 г. (Виттен никогда не утруждался объяснениями, что означает буква М.) М-теория Виттена действительно представляет собой 11-мерную теорию частиц и мембран, однако эта теория была предложена только как одно из множества приближенных решений неизвестной фундаментальной теории, но не как сама фундаментальная теория. У нас нет понимания, какой размерности должна быть эта основополагающая теория. Многие теоретики считают, что это не теория пространства-времени, а что сами пространство и время возникают только как приближенные решения фундаментальной теории.

Если мы так мало знаем об этой фундаментальной теории, то почему же считаем, что она должна существовать? В качестве аргумента Хокинг ссылается на то обстоятельство, что в ситуации, когда два варианта теории струн или других предлагаемых приближенных решений фундаментальной теории должны быть справедливы, тогда, как показывают расчеты, два решения согласуются друг с другом. (Эту важную мысль высказал Виттен в своей выдающейся лекции, прочитанной в 1995 г. в Университете Южной Каролины.) Хокинг использует очень полезную аналогию с картами разных регионов Земли. Мы можем разделить всю поверхность Земли на пересекающиеся области так, чтобы каждая область не превышала нескольких сотен километров в поперечнике, то есть была достаточно небольшой, и расстояния и направления, измеренные по такой карте, давали бы хорошее приближенное представление о действительных расстояниях и направлениях на поверхности Земли. Даже если мы не будем знать заранее, что все эти карты описывают единую цельную поверхность, мы сможем выяснить это, заметив, что карты любых двух перекрывающихся участков одинаково изображают то место, где они перекрываются. Поверхность Земли в рамках этой аналогии соответствует фундаментальной теории (М-теории Хокинга), а отдельные карты — разным приближенным решениям этой теории.

Хокинг высказывает поразительное и тревожное предположение, что, возможно, не существует основополагающей теории и максимум, на что мы можем рассчитывать, это на набор приближенных теорий, каждая из которых справедлива при определенных условиях и согласуется с другими там, где эти условия пересекаются. Здесь прекрасная аналогия с картами земной поверхности рушится. Это правда, что невозможно создать достоверную карту всей сферической поверхности Земли на плоском листе бумаги, но, в конце концов, существует не только пачка пересекающихся приближенных карт, но и сама Земля.

Более того, Хокинг крайне скептически смотрит на реальность в целом. Это отношение можно заметить в его утверждении, что в квантовой механике «у Вселенной не одна-единственная история, но бесконечное множество отдельных историй». Это верно, если историю понимать в терминах классической физики как непрерывное движение частиц из одной точки в другую в каждое следующее мгновение. Я же предпочитаю иной взгляд на квантовую механику. Вселенная или любая другая система все же имеет четко определенную историю, но при этом в каждый отдельный момент времени непрерывно изменяются не положения частиц или величины полей, а нечто, называемое вектором состояния. Это вектор в бесконечномерном Гильбертовом пространстве, и направление вектора задает состояние системы в каждый отдельный момент времени. Направление вектора описывает не состояние частицы с четко определенным положением в пространстве, а суперпозицию таких состояний. Именно поэтому квантовая механика кажется такой загадочной. Однако если использовать ее язык, то ничего странного в истории физических систем нет. Направление вектора состояния изменяется во времени совершенно точно и детерминированно. Говорить о том, что у материального мира нет четко определенной истории, можно, только если продолжать описывать мир языком классической физики.

Хокинг хорошо показывает, как ученые решают, что действительно реально: мы строим рациональные модели, которые с некоторой степенью точности и в некотором диапазоне явлений согласуются с результатами наблюдений. Но Хокинг называет такой подход «модельно-зависимой реальностью» и считает, что это все, что мы можем сказать о реальности.

Вопросы о природе реальности озадачивали ученых и философов тысячи лет. Как и большинство людей, я думаю, что реальность существует и она совершенно независима от нас и наших моделей, как Земля независима от наших карт ее поверхности. Но я так думаю, поскольку не могу не верить в объективную реальность, а не потому, что у меня есть хорошие аргументы. Я не готов утверждать, что антиреализм Хокинга ошибочен. Но я настаиваю, что ни квантовая механика, ни любая другая физическая теория не сможет ответить на этот вопрос.

В книге Хокинга есть еще несколько мест, где автор переоценивает способность науки отвечать на глубокие философские вопросы. На основе общих идей детерминизма и результатов экспериментов, которые демонстрируют влияние физических факторов на наше поведение, он делает вывод об отсутствии свободы воли. Иллюзию свободы воли он объясняет тем, что человеческое тело состоит из примерно тысячи триллионов триллионов частиц, поэтому с практической точки зрения невозможно предсказать поведение людей. Но я бы сказал, что свобода воли — это только наш сознательный опыт, помогающий принимать решения. И этот опыт не умаляется из-за того, что в результате действия законов физики я неизбежно захочу принять определенные решения. Грозовые молнии тоже состоят из многих триллионов триллионов частиц, и их поведение также труднопредсказуемо, однако мы не приписываем им свободу воли, поскольку не считаем, что они обладают сознательным опытом принятия решений.

На самой первой странице Хокинг пишет, что философия отстала в развитии от современной науки, от физики особенно. А я бы сказал, что пусть философы и не приблизились к решению древних вопросов философии, но и физики не слишком преуспели.

Не поймите меня неправильно. «Высший замысел» — прекрасная книга, которая знакомит читателя с передним краем теоретической физики и объясняет некоторые научные идеи (например, фейнмановскую трактовку квантовой механики) широкому читателю намного понятнее, чем в книгах, которые мне приходилось видеть ранее. Мои представления серьезно расходятся с Хокингом только в тех вопросах, которые разделяют физиков и философов, но не в тех, которые могут быть легко разрешены.

Тем не менее, поскольку я время от времени читаю курс по истории науки в Университете Техаса, я чувствую своим долгом указать на некоторые фактические ошибки в рецензируемой книге.

Возможно, по причине своего антиреализма, Хокинг утверждает, что преимущество модели Солнечной системы, предложенной Коперником, перед моделью Птолемея состояло в том, что «уравнения движения, записанные в системе координат, в которой Земля неподвижна, оказываются намного проще». Это не так: первое очевидное свидетельство превосходства модели Коперника было связано не с уравнениями движения, опубликованными Ньютоном в 1687 г., а с результатами наблюдений фаз Венеры, полученными Галилеем в 1610 г., которые ясно подтверждали правоту Коперника в споре с Птолемеем[78].

Хокинг утверждает, что сохранился только один из расчетов, выполненных Аристархом, в котором Аристарх проанализировал размер тени, отбрасываемой Землей на поверхность Луны в процессе лунного затмения, и на основе этого анализа пришел к выводу, что Солнце намного больше Земли. Однако Аристарх никогда бы не смог сделать такой вывод самостоятельно на основе наблюдений за лунным затмением. На самом деле по его сохранившейся работе видно, что Аристарх использовал также измерения видимых размеров (в долях прямого угла) Солнца и Луны, а также тот факт, что угол между зрительными линиями, направленными на Солнце и Луну в фазе, когда Луна наполовину затенена, немного отличается от прямого.

Открытие равенства углов падения и отражения луча от зеркальной поверхности Хокинг приписывает Архимеду. В сохранившихся работах Архимеда нет ничего, что относилось бы к закону отражения, хотя он мог написать об этом в одной из утерянных ныне книг. Принято считать, что закон отражения был открыт Евклидом, который работал за сотню лет до Архимеда, однако современные историки не уверены, кто именно открыл закон отражения. Если все-таки нужно кому-то приписать это открытие, я бы проголосовал за Герона Александрийского (жившего, правда, позже Евклида и Архимеда), который не только сформулировал, но и доказал этот закон, исходя из предположения о том, что путь, пройденный отраженным лучом между объектом и наблюдателем, должен быть минимальным.

Такие несущественные ошибки ничуть не снижают ценности этой увлекательной книги и могут быть легко исправлены в будущих изданиях.