Текст книги "Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно"

Почему вселенная так совершенна?

Мы говорим, что Вселенная началась со взрыва.

Но на самом деле она больше походила вначале на скромного артиста, не спешащего выйти из гри-мерки до тех пор, пока костюм не будет сидеть идеально – каждым швом и каждой строчкой. Миллиарды лет спустя мы оглядываемся и поражаемся тому, что космос, в котором обитает человечество, идеально, даже слишком идеально, подходит ему. Разум не может объяснить, как совмещаются грандиозный взрыв и принцип «каждый шов на месте»: как если бы Леонардо да Винчи нарисовал «Тайную вечерю», случайно ляпнув краской на стену и понадеявшись, что получится.

Однако современная космология настаивает на том, что ранняя Вселенная и должна была развиться случайно. У нее не было ни явного, ни закулисного дизайнера. Научные версии творения исключают из него Бога в любой форме. Но как еще обосновать то, что человеческая ДНК с ее невероятной упорядоченностью, с ее тремя миллиардами основных химических единиц, берет начало от космической «динамитной шашки»? Иначе говоря, как из хаоса выходит порядок?

Не напрягая мозг, на этот вопрос не ответишь. Собственно, мозг и есть пример того, как с этой проблемой сталкивается каждый из нас. Например, для того чтобы вы прочитали слова на этой странице, в зрительной коре головного мозга должны пройти чрезвычайно точные процессы. Пятна чернил на странице должны быть «зарегистрированы» как знаки. Знаки должны быть поняты на том языке, на котором вы читаете. Когда ваши глаза переходят от одного слова к другому, мозг должен «включать» значения слов, а затем «отключать» их по мере вашего перехода к следующему предложению.

Это удивительно, но реальная загадка в том, что молекулам внутри каждой клетки мозга предписаны конкретные, предопределенные действия и реакция. Если позволить железу контактировать со свободными атомами кислорода, образуется оксид железа, или, проще говоря, ржавчина. Атомам выбирать не приходится: образовать соль или сахар вместо ржавчины они не смогут. Но с помощью столь же «заблокированной» биохимии мозга мы ежедневно получаем тысячи новых, объединенных в уникальные картины впечатлений, которые делают сегодняшний день отличным от вчерашнего или завтрашнего.

Таким образом мозг и доказывает нам, что хаос и порядок пребывают в очень непростых отношениях. Химия полностью предопределена, но мышление – свободно. Если мы сможем понять, как именно они соотносятся, будет открыта одна из самых сокровенных тайн Вселенной и, что еще важнее, мы поймем, как работает ум, который, откровенно говоря, куда интереснее большинству людей, чем Большой взрыв.

В физике загадка того, почему случайно созданная Вселенная так хорошо устроена, называется проблемой тонкой настройки. Но прежде чем переходить к науке, стоит поискать подсказки в чем-то более древнем: в мифах о сотворении мира. Несмотря на то, что у каждого народа своя история творения, все они делятся на две группы. Первая – легенды, которые объясняют создание мира через знакомые действия, через то, что могут делать люди. Например, один индийский миф гласит, что силы света и тьмы создали мир, взбивая горой Меру молочный океан до тех пор, пока из него не получилось масло.

Легенды второго типа трактуют творение противоположным способом – как нечто тайное, совершенно сверхъестественное. Такова иудео-христианская история творения, описанная в Книге Бытия: Яхве начинает с полной пустоты и волшебным образом создает из нее свет, небеса, землю и все сущее на ней. Ничего похожего на обычную жизнь, ничего подобного тому же сбиванию масла. Современная космология больше похожа на Книгу Бытия: она полагает, что Вселенная возникла, когда что-то появилось из ничего. Назвать ее появление магическим или сверхъестественным было бы оскорблением для науки, так что назовем его загадочным, хотя это и было бы преувеличением века.

Творение очень велико. Вселенная простирается на 10 миллиардов световых лет во всех направлениях, насколько может видеть глаз или телескоп. Вот как далеко ушел свет после Большого взрыва! Когда Вселенная-ребенок росла, она делала это не беспорядочно.

Она создавала себя по определенным правилам, известным как константы природы, по правилам, которые могут быть сформулированы с помощью математических выкладок. Некоторые из этих констант – скорость света и постоянная сила тяжести – уже упоминались в книге.

Константы создают порядок в природе подобно старомодным матерям, которые считали своим долгом ставить ужин на стол в одно и то же время. Проблема в том, что и константы должны были откуда-то появиться, а единственное доказуемое «откуда-то» – Большой взрыв, который был полностью хаотичным, пока все внезапно не упорядочилось. Как если бы столяр взорвал бомбу в своей мастерской и сказал: «Не волнуйтесь. Взрыв создаст буфет в стиле „чиппендейл“ сам по себе. Просто подождите». Очевидно, что помимо ожидания не только столяру, но и Вселенной понадобилось бы нечто большее, но что?

Нельзя не согласиться с тем, что тонкая настройка существует. Слишком много или слишком мало силы тяжести, слишком много или слишком мало массы, слишком много или два небольших электрических заряда – все это привело бы к тому, что новорожденная Вселенная либо рухнула бы сама по себе, либо разлетелась бы слишком быстро, не успев образовать атомы и молекулы. Идем дальше, жизнь на Земле была бы невозможна без множества космических совпадений: к примеру, аминокислоты, строительный материал для белков, по-видимому, существовали еще в межзвездной пыли. Более того, упомянутые «слишком мало» и «слишком много» могли измеряться и миллионными, и даже миллиардными долями процента.

Нельзя не согласиться и с тем, что нужно выяснить, откуда пришли константы природы. Точные математические законы управляют четырьмя основными силами: силой тяжести, электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Например, постоянная, применяемая при измерении силы тяжести, остается неизменной, где бы вы ее ни изменяли – в отдаленных отдельных точках, например на Марсе, или на дальней звезде в световом году от Земли, вне зависимости от того, насколько они не похожи. Опираясь на константы, земные физики могут мысленно путешествовать в самые отдаленные уголки пространства и времени.

Когда они это делают, возникают неожиданные совпадения. Например, в глубоком космосе взрыв самых больших звезд, массивных сверхновых, – явление, которое можно наблюдать с помощью мощных телескопов с Земли или ее орбиты. Взрывы сверхновых, произошедшие миллиарды лет назад, ответственны за формирование всех существующих тяжелых элементов, таких как кальций, фосфор, железо, кобальт и никель. Атомы этих элементов сначала были разрозненной межзвездной пылью, но гравитация заставила их соединяться друг с другом, и в конце концов они попали внутрь древней солнечной туманности, а из нее образовались все планеты, в том числе и наша. Железо, которое делает вашу кровь красной, ведет свой род от сверхновой, которая саморазрушилась эоны назад. Специфика взрыва определяется слабой силой, существующей в бесконечно малом масштабе атомного ядра. Если бы эта сила была слабее на 1 % или около того, ни взрывов сверхновых, ни образования тяжелых элементов, ни, следовательно, жизни, какой мы ее знаем, не было бы. Константа, определяющая слабую силу, должна была быть именно такой, какова она есть.

Рассмотрим некоторые конкретные случаи тонкой настройки на уровне повседневной реальности, где материя удобно скомпонована из атомов и молекул. Свойства, называемые «постоянной тонкой структуры», определяют свойства этих атомов и молекул. Это отвлеченное число, примерно 1/137. Если постоянная отличалась бы от имеющейся всего на 1 %, то не было бы атомов или молекул, какими мы их знаем. Постоянная тонкой структуры, связанная с жизнью на Земле, определяет, как поглощается солнечная радиация в атмосфере Земли и как в зеленых растениях происходит процесс фотосинтеза.

Солнце испускает лучи преимущественно в той части спектра, где атмосфера Земли прозрачна для них. Проблема в том, что солнечное излучение определяется величиной гравитационной постоянной. Почему макроскопическая величина, а именно сила тяжести, должна быть такой, чтоб излучение в нужной части спектра могло поглощаться растениями? Нужная для передачи света в атмосфере длина волн, способных привести свет на поверхность Земли, определяется постоянной тонкой структуры, которая применима в микроскопическом масштабе.

Нет никакой определенной причины, по которой две отдельные константы – управляющая сверхбольшими вещами и управляющая сверхмалыми вещами – должны быть взаимосвязаны. Примерно так же выглядело бы чье-нибудь «открытие», что отпечатки пальцев ребенка могут рассказать вам, вырастет ли из него нейрохирург. Но если эти две константы не были бы взаимосвязанными, не было бы и той жизни, какую знаем мы. Проблема тонкой настройки была обоснованно названа одним из наибольших затруднений физики. Впрочем, и биологии тоже: жизнь так же зависит от хрупкого баланса констант. Фактически, тонкую настройку довела до высшей точки та самая невозможность Вселенной, приведшая к появлению жизни на Земле. Для возникновения ДНК потребовалось бы слишком много совпадений, начиная с самого Большого взрыва. Теоретики стали выяснять, являются ли эти совпадения в действительности чем-то другим, индикатором того, что не замечена некая глубинная связь. Ключи к этой скрытой связи – подозрительно точно настроенные константы. Впрочем, многие другие совпадения ведут к тем же мыслям.

Выяснение того, почему Вселенная так тонко настроена, занимает многих космологов, и определенному их контингенту уже давно неудобно приписывать рождение Вселенной чистой случайности. Вот знаменитая цитата из высказываний известного британского астронома Фреда Хойла (1915-2001 гг.):

«На свалке лежат все детали „Боинга-747“, порознь и в беспорядке. Через двор проносится вихрь. Какова вероятность того, что после этого на свалке будет стоять собранный „Боинг“, готовый к взлету? Она столь мала, что можно пренебречь ею, даже если торнадо пронесется через свалку размером со Вселенную».

Для большинства практикующих физиков аналогия Хойла не выдерживает критики, так как уравнения, лежащие в основе квантовой механики, и их огромная прогностическая сила определяют работу и случайностей, и неопределенности. Тем не менее объяснение того, почему константы так точно настроены, бросает вызов текущим знаниям. Существует даже интригующая возможность того, что отлаженность констант необходима для существования людей. Что, если случайность тут вовсе ни при чем?

Объяснить причину тонкой настройки ученые попытались через так называемый антропный принцип, получивший свое название от греческого «антропос» – «человек». Термин «антропный принцип» впервые появился в 1973 году на конференции, посвященной 500-летию со дня рождения Коперника. Основной принцип теории Коперника в том, что система, где Земля вращается вокруг Солнца, лишает человека центрального положения в творении. Один из главных авторов антропного принципа, астрофизик Брэндон Картер, заявил: «Наше место в космосе не обязательно центральное, но уж точно привилегированное». Это утверждение можно считать и возмутительным, и прорывным, в зависимости от ваших убеждений. Вернуть людей на привилегированное место в космосе на миллиарды световых лет – это было смело, если не более того. Чтобы спокойно описать суть антропного принципа, можно обратиться к известному британскому физику и математику сэру Роджеру Пенроузу, к его очень уважаемой книге «Новый разум Императора» (1989 г.).

Пенроуз пишет, что аргумент о предоставлении привилегированного положения людям полезен, «чтобы объяснить, почему сложились подходящие условия для существования (разумной) жизни на Земле в настоящее время». Несмотря на то, что физика склонна объяснять все случайностью, Пенроуз указывает на «поразительные числовые отношения между физическими константами (гравитационная постоянная, масса протона, возраст Вселенной и т. д.). Загадка этого в том, что некоторые отношения сохраняются только в нынешнюю эпоху земной истории, поэтому мы, по случайному совпадению, живем в совершенно особенное время (плюс-минус несколько миллионов лет!)»

Находясь здесь, мы оглядываемся и обнаруживаем, что космос привел нас к существованию. В этот момент необходим спокойный тон, потому что на пике спора креационисты, опирающиеся на Библию, буквально готовы наброситься на оппонента: мол, физика наконец поддержала их веру в то, что Бог дал человеку господство над Землей – именно так, как учит Книга Бытия! Любое предположение о том, что человеческие существа избраны Богом на каком-то этапе космической эволюции, – ересь для науки. Но антропный принцип и не предполагает религиозных объяснений. Он опирается на примечательный, но труднообъяснимый факт: на Земле сейчас существует интеллектуальная жизнь, а именно – мы, и именно мы способны измерять константы, которые породили разумную жизнь. Совпадение? Только ли?

Помочь может аналогия. Представьте, что медузы умны и хотят знать, из чего сделан океан. Исследователи медуз анализируют химический состав океана – и наблюдают удивительное: химические вещества внутри тела медузы точно соответствуют химическим веществам в морской воде. Слишком совершенное совпадение, чтобы быть только им. Должно быть другое объяснение.

Исследователи правы, потому что причина, по которой морская вода и жидкость внутри медузы совпадают, заключается в том, что эволюция создала медуз неспособными жить без моря.

Антропный принцип получил поддержку среди ученых, которым было неудобно громоздить совпадение на совпадение, не получая никаких окончательных объяснений, соответствующих современной науке. Как и в случае с медузами, связь между человеческим мозгом и постоянными во Вселенной могла быть обусловленной эволюционно. А может, и нет. Они могут быть связаны по какой-то другой причине, или связь окажется поверхностной, и мы обнаружим ключевые несоответствия, если продолжим поиски. Много спорят о том, есть ли в космосе вообще что-то случайное, но, по крайней мере, лед тронулся: замки сплошных случайностей отперты ключом разума. (Недавние открытия планет, вращающихся вокруг отдаленных, подобных Солнцу, звезд, увеличили возможность случайности: предполагается, что могут существовать миллионы и миллионы планет, потенциально способных поддерживать жизнь. Если это так, то Земля выиграла в космической лотерее, но ее выигрыш не уникален. Или уникально вообще все. Коперник смеется последним.)

Чтобы поднять авторитет антропного принципа, были сформулированы его сильная и слабая версии.

Слабый антропный принцип (WAP) пытается найти в уравнении любые исключения. Он не утверждает, что разумная жизнь на Земле была целью космической эволюции, начиная с Большого взрыва, а лишь гласит, что Вселенная, если она объяснима полностью, должна быть объяснима жизнью на Земле. Может быть, в константах, которые мы измеряли, есть какое-то пространство для маневра, то есть наши знания, хотя и верные, ограничены нашей перспективой.

Представьте, что пчелы могут собирать пыльцу только с розовых цветов. Если бы существовал слабый пчелиный принцип, он бы гласил, что существует связь между пчелами и розовым, не зависящая от эволюции цветов. А существование синих, желтых и любых других цветов объяснялось бы чем угодно, но не пчелами.

Сильный антропный принцип (SAP) смелее: он заявляет, что не может быть познаваемой Вселенной без человечества. Космическая эволюция должна была непременно привести к нам. Многие физики чувствуют неловкость при такого рода предположениях, слишком отдающих метафизикой. Один вредный комментатор пошел дальше и заявил об Очень-очень сильном антропном принципе, который сформулирован как «Вселенная возникла, потому что лично я смог подменить причину следствием, например на этой странице» (http://c2.com/cgi/wiki?AnthropicPrinciple). Это может показаться лишь шуткой о том, что SAP – нелепая крайность. Но, на самом деле, если Вселенная вмещает в себя людей, то нет и логических доводов, почему она не может вместить и конкретный момент времени. У причины и следствия нет собственного ума. Если действия приводят к предсказуемым результатам (например, брошенный мяч всегда упадет на землю), так же точно может быть предсказан и любой момент времени.

Теперь можно понять, почему вера в причину и следствие – главное из верований, которые разрушились в постквантовой эпохе. Нельзя утверждать, что Большой взрыв неизбежно привел бы к этому мгновению, к странице, которую вы сейчас читаете, к бутерброду с ветчиной, или чашке чая у вас в руках, или к буквам, которыми написана ваша фамилия. Если считать причинно-следственные связи строгими, получится, что каждое слово, которое сорвется с ваших губ, было предопределено миллиарды лет назад. Квантовая механика облегчила эту трудность, превратив строгие причинно-следственные связи в вероятности. Теперь мы, можно сказать, живем с мягкими причиной и следствием: каждое событие возникает из набора вероятностей, а не создается жесткой цепной реакцией.

Однако тайна тонкой настройки Вселенной никуда не делась. Вероятности могут рассказать вам о вероятности появления некого электрона в точке А во времени и пространстве, но ничего не скажут о том, какую роль играют электроны в тонкой настройке Вселенной. По аналогии, если словарный запас вашего друга 30 000 слов и вы знаете, как часто он использует каждое слово, то вы можете вычислить вероятность того, что следующим его словом будет «джаз». Допустим, он не фанат джаза, и эта вероятность равна 1 к 1 867 054. Степень точности высока, но у вас все еще нет способа объяснить, почему он выбирает это слово каждый раз, когда оно покидает его уста. А если рассуждать в более крупном масштабе, можно сказать, что ваше владение теорией вероятности не даст объяснения тому, почему в примитивных обществах сотни тысяч лет назад вообще появились языки.

Независимо от того, слабый или сильный антропный принцип мы используем, он позволяет Земле не оставаться случайной точкой в космическом океане. Трудно отрицать то, что константы природы имеют свою особую ценность, ведь и Вселенная создана для жизни, для того, чтобы она развивалась. Если вы когда-либо строили целый день карточные домики, вы знаете, что неправильно положенная карта может обрушить всю конструкцию. А теперь представьте, что вы строите не домик из 52 карт, а человеческую ДНК, с ее 3 миллиардами пар оснований и химическими ступенями вдоль витой лестницы двойной спирали. Подумайте, что процесс построения человеческой ДНК занял приблизительно 3,7 миллиарда лет, начиная с первых проблесков жизни на Земле, и еще 10 миллиардов лет космос существовал до этого момента. Сколько могло случиться за это время ошибок – таких, чтобы домик ДНК обрушился? Слишком много, чтобы считать. Ваши гены переданы вам родителями, но в процессе передачи в среднем произошло около 3 миллионов случайных изменений – мутаций. Эти случайные изменения ДНК, наряду с мутациями, вызванными рентгеновскими лучами, космическим излучением и другим влиянием окружающей среды, вселяют в нас огромные сомнения в том, что жизнь создана случайно.

Скорость случайных мутаций статистически проверяема. Фактически, это основной способ, позволяющий проследить, куда человеческие гены переместились после того, как первая группа наших предков мигрировала из Африки 200 000 лет назад. Мутации в их ДНК служат своего рода навигатором, по которому мы видим их путь. Таким образом, у нас появляется аргумент в пользу случайности. Но в то же время статистика – контраргумент: за 3,7 миллиарда лет пути ДНК могли меняться и теряться. Тем не менее все ошибки были устранены, и этот факт путает все карты, если пытаться сделать случайность единственной работающей силой. Жизнь балансирует на пороге порядка и беспорядка. Кроме того, тонкая настройка Вселенной подчеркивает, как таинственна связь между ними.

Все больше физиков считает, что проблему тонкой настройки можно решить, только приняв, что весь космос – единая, непрерывная, гармонично организованная и работающая сущность, подобная человеческому телу. Невозможно не согласиться с тем, что отдельные клетки сердца, печени, мозга и других органов связаны с деятельностью всего организма. Если смотреть только на одну ячейку, ее связь с целым будет утрачена. Все, что вы видите, – это химические реакции, циркулирующие внутри каждой клетки, снаружи ее и через нее. Но есть и то, чего вы видеть не можете: у этих реакций две стороны. На локальном уровне они поддерживают жизнедеятельность отдельной клетки, а на общем – всего тела. Клетка-отступница, которая действует сама по себе, может стать злокачественной. Неустанно стремясь к собственным интересам, бесконечно делясь и убивая другие клетки и ткани, которые стоят на пути, злокачественная клетка превращается в раковую опухоль. В конечном счете «нелояльность» клетки всему остальному телу бесполезна. Рак разрушается сам, когда пораженное им тело умирает. Научилась ли Вселенная избегать разрушения еще много лет назад? Не это ли тонкая настройка космической защиты, к которой люди, если надеются выжить, должны относиться уважительно?

Легенды предупреждали об этом еще задолго до того, как угрожать нам хаосом стали террористы, хакеры и плохая экология. В средневековых легендах о Граале вера в Бога была невидимым клеем, который держал мир в целости, а грех – раковой опухолью, способной его разрушить. Когда рыцари Грааля отправились на поиски чаши, наполненной Христовой кровью, природа вокруг была серой, умирающей. Отчаяние природы символизировало человеческий грех. Грааль – настоящий, а не символический – был своего рода обращением к уму необразованных средневековых людей: если бы им показали чашу, это доказало бы связь людей с Богом, убедило, что Бог не оставил их. Естественный порядок был бы соблюден.

Один священный предмет, спасающий мир, еще более невероятен, нежели зависимость всего космоса от какой-то мелочи, но это – урок тонкой настройки. (Кто-то мрачно комментировал, что вирус гриппа, способный вызвать смертельную болезнь, похож на футбольный мяч, брошенный в окно небоскреба и обрушивший все здание.) Здесь вспомним еще одно замечание сэра Артура Эддингтона: «Когда электрон вибрирует, Вселенная трясется». Все в космосе взаимосвязано (и воспринимается человеческим мозгом как взаимосвязанное), потому что реальность одна и та же. Если есть другая реальность «вне там», выходящая за пределы человеческого восприятия, она, по существу, и не существует.

Если человек слеп, это не делает цвета нереальными – чтобы убедиться в их существовании, достаточно других людей, которые могут видеть. Но если бы все люди были дальтониками, то мозг никогда бы не постиг существования цвета. Люди не могут видеть инфракрасного и ультрафиолетового излучения: длины световых волн лежат за пределами возможностей наших глаз. Мы можем подтвердить их существование только с помощью инструментов, предназначенных для обнаружения этих длин волн. Больше нельзя полагать, что во «тьме» Вселенной нет никакого света или излучения. Реальность внезапно становится похожей на диапазон радиочастот, где мы можем «поймать» только одну станцию – нашу Вселенную.

Оглядываясь назад, на раннюю Вселенную, на то время, когда только образовывались атомы, квантовая теория утверждает, что каждая частица материи уравновешивалась частицей антиматерии. Они могли бы уничтожить друг друга, и тогда история космоса была бы очень короткой. Но, как часто бывает (вы уже привыкли к этой фразе), материи было чуть-чуть, буквально на одну миллиардную, больше, чем антиматерии. Этого было достаточно, чтобы позволить всей видимой материи в творении избежать уничтожения и породить ту Вселенную, какой она стала.