Текст книги "Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс"

Единообразие и уникальность Вселенной
Андрей Линде

Физик-теоретик, Стэнфордский университет; автор хаотической теории инфляции, первый лауреат премии по фундаментальной физике Фонда Мильнера в 2012 году.

В течение почти всего XX века в научной мысли доминировала идея единообразия Вселенной и универсальности законов физики. И действительно, космологические наблюдения показывали, что в самых больших возможных масштабах Вселенная почти полностью единообразна с погрешностью меньше чем 1 к 10000.

Подобная же ситуация складывается и в отношении универсальности законов физики. Например, мы знали, что масса электрона одинакова в любой наблюдаемой части Вселенной, так что с очевидностью предполагалось, что он везде имеет одинаковую величину – что это природная константа. В течение долгого времени одной из величайших целей физики было найти единую теорию – Теорию Всего, – которая объединила бы все фундаментальные взаимодействия и дала бы о однозначное объяснение всем известным параметрам физики частиц.

Примерно тридцать лет назад появилось возможное объяснение единообразия Вселенной. Главная идея заключалась в том, что наша часть мироздания возникла в результате экспоненциально быстрого растяжения пространства, названного космической инфляцией. По мере того как все «морщины» и неоднородности пространства растянулись и исчезли, Вселенная стала невероятно гладкой. Добавьте некоторые квантовые флюктуации, растяните их – и вот уже единообразие стало чуть менее полным: появились галактики.

Сначала инфляционная теория выглядела как экзотический плод живого воображения. Но, благодаря вдохновенной работе тысяч ученых, различные ее прогнозы были подтверждены наблюдениями, сделанными космическими аппаратами COBE, WMAP, Planck и, совсем недавно, лабораторией BICEP2. Если, как я думаю, теория правильна, то мы наконец получили объяснение того, почему мир столь единообразен.

Но инфляция не предсказывает, что это единообразие должно простираться дальше наблюдаемой части вселенной. Приведу аналогию: предположим, что вселенная – это поверхность большого футбольного мяча, состоящая из черных и белых шестигранников. Если мы накачиваем мяч, то размер каждой белой или черной части экспоненциально растет. Если инфляция достаточно сильна, то те, кто живет в черной части вселенной, никогда не увидят белую часть. Они будут думать, что вся вселенная черная, и постараются научно объяснить, почему она не может быть никакого другого цвета. Те, кто живет в белой вселенной, никогда не увидят черные части и поэтому будут думать, что весь мир должен быть белым. Но белые и черные части могут сосуществовать в инфляционной вселенной без противоречащих друг другу наблюдений.

В отличие от аналогии с черным/белым, в физике количество разных «цветов» – то есть разных состояний материи – может экспоненциально расти. Наилучшим нынешним кандидатом на роль Теории Всего является теория струн, которая может быть успешно сформулирована в пространстве-времени с десятью измерениями (девятью измерениями пространства и одного – времени). Но мы живем во Вселенной с тремя измерениями пространства. А где же шесть остальных? Дело в том, что они компактифицированы – сжаты до такой степени, что мы не можем двигаться в этих измерениях, – и поэтому мир представляется нам трехмерным.

Еще на начальной стадии разработки теории струн физики знали, что есть экспоненциально много разных путей для компактификации дополнительных шести измерений, но мы не знали, что удерживает компактифицированные измерения от расширения. Эта проблема была решена примерно десять лет назад, и решение подтвердило прежнее ожидание экспоненциально большого количества возможностей. По некоторым оценкам, их 10⁵⁰⁰. И каждая из этих опций описывает часть Вселенной с разной энергией вакуума и с разными типами материи. В контексте инфляционной теории это означает, что мир может состоять из 10⁵⁰⁰ громадных вселенных с различными типами материи.

Пессимист скажет, что, поскольку мы не видим других частей Вселенной, то не можем доказать, что эта картина является правильной. Оптимист возразит, что это нельзя и опровергнуть, потому что главное предположение теории состоит в том, что другие вселенные находятся очень далеко от нас. А поскольку мы знаем, что лучшая из нынешних теорий допускает существование 10⁵⁰⁰ разных вселенных, то всякий, кто доказывает, что у Вселенной повсюду должны быть одни и те же свойства, должен доказать, что возможно существование лишь одной из этих 10⁵⁰⁰ вселенных.

Есть кое-что еще: в нашем мире много странных совпадений. Масса электрона в 2000 раз меньше массы протона. Почему? Единственная «причина» состоит в том, что, будь это хоть немножко иначе, и жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможной. А массы протона и нейтрона почти совпадают. Если бы массы каждого хоть немного отличались, то жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможной. Энергия пустого пространства в нашей части Вселенной хотя и не равна нулю, но ничтожно мала – она более чем на 100 порядков меньше естественных теоретических оценок. Почему? Единственное объяснение заключается в том, что мы не могли бы жить в мире с большей энергией вакуума.

Корреляция между нашими свойствами и свойствами мироздания называется антропным принципом. Но если бы Вселенная существовала только в одном экземпляре, эта корреляция не объяснила бы почему. Нам бы пришлось предполагать некий божественный промысел, сделавший Вселенную пригодной для человека. А вот с Мультивселенной, состоящей из многих разных частей с разными свойствами, корреляция между нашими свойствами и свойствами той части мира, в которой мы живем, вполне имеет смысл.

Можем ли мы вернуться к старой картине единственной Вселенной? Возможно. Но для этого мы должны (1) придумать лучшую космологическую теорию, (2) придумать лучшую теорию фундаментальных взаимодействий и (3) предложить альтернативное объяснение упомянутых выше поразительных совпадений.

Бесконечность
Макс Тегмарк

Физик, космолог, Массачусетский технологический институт; научный директор Foundational Questions Institute (Института фундаментальных вопросов). Автор книги Our Mathematical Universe[11]11
  Макс Тегмарк. Наша математическая вселенная / пер. Александра Сергеева. М.: Corpus, 2016.


[Закрыть].

Бесконечность соблазнила меня еще в юности. Диагональное доказательство Георга Кантора о том, что некоторые бесконечности больше других, очаровало меня, а его бесконечная иерархия бесконечностей взорвала мой ум. Предположение о том, что в природе существует нечто действительно бесконечное, лежало в основе каждого курса физики, которые я читал в МТИ, – и лежит в основе всей современной физики. Но это непроверенное предположение, которое уклоняется от вопроса: а так ли это на самом деле?

Фактически есть два отдельных предположения: «бесконечно большое» и «бесконечно малое». Под бесконечно большим я имею в виду, что пространство может иметь бесконечный объем, что время может длиться вечно и что может существовать бесконечно много физических объектов. Под бесконечно малым я понимаю континуум – идею о том, что даже литр пространства содержит бесконечное количество точек, что пространство может бесконечно растягиваться без какого-то ущерба и что в природе есть количества, которые могут постоянно меняться. Эти два предположения тесно связаны между собой, поскольку инфляция, самое популярное объяснение Большого взрыва, может создавать бесконечный объем, бесконечно растягивая пространство.

Инфляционная теория имела поразительный успех и стала главным претендентом на Нобелевскую премию. Она объясняет, как субатомная частица материи трансформировалась в массивный Большой взрыв, создав громадную, однородную, единообразную вселенную с мелкими флюктуациями плотности, которые со временем выросли в сегодняшние галактики и крупномасштабную космическую структуру, – и всё это прекрасно согласуется с точными экспериментальными измерениями, полученными с помощью таких приборов, как Planck и BICEP2. Но, предсказав, что пространство не просто большое, а действительно бесконечное, инфляция породила так называемую проблему измерения, которую я рассматриваю как величайший кризис, стоящий перед современной физикой. Физика должна предсказывать будущее из прошлого, но инфляция, похоже, саботирует это дело. Когда мы пытаемся предсказать вероятность того, что случится что-то определенное, инфляция всегда дает один и тот же бесполезный ответ: бесконечность, деленная на бесконечность. Проблема в том, что, какой бы эксперимент вы ни проводили, инфляция предсказывает, что где-то далеко в нашем бесконечном пространстве существует множество ваших копий, которые получат все физически возможные результаты. И несмотря на многолетние споры и зубовный скрежет в космологическом сообществе, оно так и не пришло к консенсусу по поводу того, как добыть из этих бесконечностей разумные ответы. Так что, строго говоря, мы, физики, больше вообще ничего не можем предсказать!

Это означает, что даже лучшие сегодняшние теории нужно хорошенько встряхнуть, чтобы отправить на покой некоторое некорректное предположение. Которое? Вот мой главный подозреваемый: ∞.

Резиновую ленту нельзя растягивать до бесконечности, потому что, хотя она и кажется такой мягкой и податливой, это всего лишь удобное приближение. На самом деле она сделана из атомов, и, если ее слишком растянуть, она лопнет. Если мы сходным образом избавимся от идеи, что само пространство – это бесконечно растягиваемый континуум, то с треском лопнет и способность инфляции создавать бесконечно большое пространство, и проблема измерения уйдет. Без бесконечно малого инфляция не может порождать и бесконечно большого, так что вы разом избавляетесь от обеих бесконечностей – а с ними и от многих других проблем, изнуряющих современную физику, таких как бесконечная плотность сингулярностей черных дыр, а также бесконечности, которые возникают, когда мы пытаемся квантовать гравитацию.

В прошлом многие почтенные математики скептически относились к бесконечности и континууму. Легендарный Карл Фридрих Гаусс вообще отрицал, что нечто бесконечное действительно существует, и говорил: «Бесконечность – это просто фигура речи» и «Я возражаю против использования бесконечной величины как чего-то завершенного, что недопустимо в математике». Однако за последнее столетие идея бесконечности стала доминировать в математике, и большинство математиков и физиков настолько очарованы бесконечностью, что редко ставят под вопрос эту идею. Почему? В основном потому, что бесконечность – это исключительно удобное приближение, для которого мы не нашли столь же удобных альтернатив.

Подумайте, например, о воздухе, окружающем вас. Отслеживать положение и скорость октиллионов атомов, из которых он состоит, было бы безнадежно сложно. Но если вы проигнорируете тот факт, что воздух сделан из атомов, и вместо этого приближенно представите его в виде континуума – однородного вещества, в каждой точке имеющего определенную плотность, давление и скорость, – то обнаружите, что этот идеальный воздух подчиняется прекрасному в своей простоте уравнению, объясняющему почти всё, что нас интересует: как строить самолеты, как услышать летящий самолет с помощью звуковых волн, как делать прогнозы погоды и так далее. Однако, несмотря на все эти удобства, воздух, конечно, не непрерывен. Думаю, это относится и к пространству, ко времени и ко всем другим строительным блокам нашего физического мира.

Будем откровенны: несмотря на всю соблазнительность идеи, у нас нет прямого наблюдаемого свидетельства существования ни бесконечно большого, ни бесконечно малого. Мы говорим о бесконечных пространствах с бесконечным множеством планет, но наша наблюдаемая вселенная содержит всего около 10⁸⁹ объектов (в основном фотонов). Если пространство является настоящим континуумом, то для описания даже такой простой вещи, как расстояние между двумя точками, потребуется бесконечный объем информации, выраженный числом с бесконечным числом десятичных дробных разрядов. На самом деле нам, физикам, никогда не удавалось что-либо измерить дальше семнадцати десятичных разрядов. Однако действительные числа с их бесконечным множеством дробей заполонили почти все закоулки физики – от силы электромагнитных полей до волновых функций квантовой механики. Даже для описания одного бита квантовой информации (кубита) мы используем два действительных числа с бесконечным количеством значащих цифр.

Нам не только не хватает доказательств существования бесконечности – она нам и не нужна для того, чтобы заниматься физикой. Наши лучшие компьютерные модели, описывающие всё – от формирования галактик до завтрашней погоды и массы элементарных частиц, – используют лишь конечные компьютерные ресурсы и исходят из того, что все явления конечны. И уж если мы можем обойтись без бесконечности, чтобы выяснить, что случится дальше, то природа и подавно – причем сделает это гораздо более глубоким и элегантным образом, чем мы со всеми своими ухищрениями с компьютерным моделированием. Перед нами как физиками стоит задача открыть этот элегантный путь и описывающие его свободные от бесконечности уравнения – подлинные законы физики. Чтобы по-настоящему взяться за этот поиск, нам надо поставить под вопрос бесконечность. Держу пари, что нам придется вообще избавиться от нее.

Законы физики предопределены
Лоуренс Краусс

Физик, космолог. Директор проекта Origins в Университете штата Аризона. Автор книги A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing[12]12
  Вселенная из ничего. Почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную / пер. Анастасии Бродоцкой. М.: Прайм-Еврознак, 2000. (Золотой фонд науки).


[Закрыть].

Эйнштейн однажды сказал: «Что меня действительно интересует, так это был ли у Бога выбор при создании Вселенной». Конечно, под «Богом» Эйнштейн не имел в виду Бога. Он задался вопросом, не дающим покоя большинству ученых, которые, как и я, пытаются раскрыть фундаментальные законы, управляющие космосом в самых его основах: существует ли лишь единственный набор не противоречащих друг другу физических законов? Если мы изменим одну фундаментальную константу, один закон силы, то не рухнет ли все здание?

Большинство ученых моего поколения, как и Эйнштейн до нас, в неявном виде исходили из того, что ответ на эти вопросы – «да». Мы хотели найти Единую Истинную Теорию, математическую формулу, объясняющую, почему именно в природе обязаны действовать четыре силы, почему протон в 2000 раз тяжелее электрона и так далее. На недавней памяти эти усилия достигли своего пика в 1980-е годы, когда теоретики струн доказывали, что они нашли Теорию Всего – что, используя постулаты теории струн, можно перейти к единой физической теории, которая на фундаментальном уровне однозначно и окончательно объяснит все, что мы видим.

Нет нужды говорить, что это великое открытие пришлось пока отложить, поскольку теория струн не смогла – во всяком случае, до сих пор – сдержать свои щедрые обещания. Однако по ходу дела, отчасти благодаря тому, что теория струн не оказалась успешной, мы допустили альтернативную возможность: законы природы, которые мы измеряем, могут быть совершенно случайными, действовать лишь локально в нашей окружающей среде (а именно в нашей Вселенной), не быть жестко предписанными неким универсальным принципом и ни в коем случае не быть типичными или обязательными.

Теория струн, например, предполагает наличие целой группы возможных новых измерений. Чтобы это предположение сочеталось с нашей наблюдаемой четырехмерной Вселенной, теория требует, чтобы эти другие измерения были невидимыми, скрученными до столь мелкого масштаба, что мы даже не можем проверить их наличие. Или же теория требует, чтобы все известные силы и частицы были ограничены четырехмерной браной. Похоже, есть очень много разных способов скрыть дополнительные измерения, и каждый такой способ создает новую четырехмерную Вселенную, в которой действуют другие законы. Кроме того, выясняется, что и сами четыре измерения не универсальны; возможно, существуют двухмерные или шестимерные вселенные.

Но не обязательно подниматься до таких высот спекуляции, чтобы прийти к допустимому выводу о том, что законы нашей Вселенной возникли вместе с самой Вселенной. Инфляционная теория – на сегодняшний день лучшая из теорий, объясняющих, как наша Вселенная обрела те свойства на макроуровне, которые поддаются измерению, – предполагает, что на самых ранних стадиях имел место период безудержного расширения. В разных местах и, возможно, в разное время маленькие области перестанут «надуваться» по мере того, как в этих областях будет происходить космический фазовый переход, меняющий стабильную конфигурацию частиц и полей. Но в этой картине бóльшая часть, если хотите, «метавселенной» всё равно расширяется, а каждая область, каждая вселенная, которая исключается из процесса инфляции, может прийти в другое состояние с другими законами – точно как кристаллы льда на стекле формируются в разных направлениях.

Всё это основательно заставляет предположить, что нет ничего фундаментального в тех «фундаментальных» законах, которые поддаются измерению в нашей Вселенной. Они могут быть просто случайными. В этом смысле физика становится наукой об окружающей среде.

Сейчас многие ухватились за эту мысль, чтобы предположить, что мы можем понять наши законы, поскольку они выбраны исходя из антропного принципа – то есть если бы они были другими, то в нашей Вселенной жизнь не смогла бы развиться. Однако в этой теории слишком много проблем – и не в последнюю очередь потому, что мы не знаем, какие существуют иные возможности, и не знаем, могли бы в результате изменения некоторых или множества фундаментальных параметров появиться пригодные для жизни и обитаемые вселенные. Мы также представления не имеем, являем ли мы собой типичную форму жизни. Бóльшая часть жизни, которая развивается или разовьется в нашей Вселенной, может быть совсем другой.

Акцент на антропном принципе ошибочен с любой точки зрения. Важно, чтобы мы стремились избавиться от идеи о том, что законы физики в нашей Вселенной отражают некий основополагающий порядок, что эти законы каким-то образом предопределены принципами красоты и симметрии. Здесь нет ничего нового. Было недальновидно предполагать, что жизнь на нашей планете была предопределена. Сегодня мы понимаем, что историей жизни, которая привела к нашему существованию, управляли случайности естественного отбора и травмы, причиненные окружающей средой. Столь же недальновидно было бы предполагать, что мы представляем собой некую вершину эволюции – что все дороги ведут к нам, а сами мы не ведем к будущему, в котором появится нечто совершенно иное.

Наконец, недальновидно предполагать, что вселенная, в которой мы сейчас живем, всегда будет такой же. Не будет. Некоторые из моих коллег утверждают, что в далеком будущем все галактики, которые мы сейчас наблюдаем, исчезнут. Но всё может быть и гораздо хуже. Недальновидно предполагать, что наши законы универсальны во времени и пространстве даже в нашей Вселенной. Имеющиеся сейчас данные о частице Хиггса дают основания предполагать, что наша Вселенная еще может претерпеть космический фазовый переход, а это изменит стабильные силы и частицы, и тогда мы и всё, что мы видим, может исчезнуть.

Мы уже приняли идею о том, что жизнь не предопределена. Теперь надо избавиться от странной идеи о том, что законы физики предопределены. Космические случайности повсеместны, и возможно, что вся наша Вселенная – это всего лишь случайность.

Теория чего угодно
Пол Стейнхардт

Профессор факультетов физики и астрофизики Принстонского университета. Соавтор (с Нейлом Туроком) книги Endless Universe: Beyond the Big Bang («Бесконечная Вселенная: по ту сторону Большого взрыва»).

В фундаментальной физике и космологии распространена идея, которой явно пора в отставку, – идея о том, что мы живем в Мультивселенной, где законы физики и свойства космоса случайным образом меняются от одного ее лоскута к другому. Согласно такому взгляду, законы и свойства в рамках нашей наблюдаемой Вселенной нельзя объяснить или предсказать, поскольку они появились случайно. Согласно этой картине, различные регионы пространства, слишком далекие, чтобы мы когда-либо смогли их наблюдать, имеют разные законы и разные свойства. В масштабах всей Мультивселенной существует бесконечное множество отдельных лоскутов. Среди этих лоскутов, по выражению Алана Гута, «что бы ни могло случиться, случится; на самом деле, это случится бесконечное количество раз»[13]13
  Alan H. Guth. Eternal Inflation and its implications // arXiv: hep-th/0702178v1, 22/02/2007. – Примеч. авт.


[Закрыть].

Соответственно, я называю эту идею Теорией Чего Угодно.

Любое наблюдение или комбинация наблюдений сочетаются с Теорией Чего Угодно. Никакое наблюдение или комбинация наблюдений не могут ее опровергнуть. Сторонники этой теории радуются тому факту, что она неопровержима. Остальное научное сообщество должно бы с оружием в руках противостоять этому утверждению, потому что неопровержимые идеи лежат за пределами обычной науки. Однако, за исключением нескольких критических голосов, имеет место удивительное общее согласие (пусть и с некоторыми ворчливыми оговорками) в том, что Теория Чего Угодно логически возможна. В научных журналах полно статей, которые обсуждают Теорию Чего Угодно вполне серьезно. Так что же происходит?

Может быть, в ходе экспериментов обнаружилось, что наблюдаемая Вселенная и ее фундаментальные законы слишком сложны, чтобы их могла объяснить наука? Ничего подобного, всё как раз наоборот: на макроскопическом уровне последние измерения показывают, что наблюдаемая Вселенная удивительно проста, описывается очень немногими параметрами, повсеместно подчиняется одним и тем же физическим законам и во всех направлениях демонстрирует удивительно единообразную структуру. На микроскопическом уровне Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе обнаружил существование бозона Хиггса, что теоретики предсказывали еще без малого пятьдесят лет назад, исходя из обоснованных научных аргументов.

Простой результат предполагает и простое объяснение того, почему именно так и должно быть. Тогда зачем нужна Теория Чего Угодно, которая допускает любые возможности, в том числе и сложные? Мотив кроется в том, что провалились две излюбленные теоретические идеи – инфляционная космология и теория струн. От обеих этих идей ожидали уникальных результатов. Инфляционная космология была изобретена, чтобы трансформировать весь космос в плоскую Вселенную с масштабно-инвариантным распределением горячих и холодных участков – какой мы ее и наблюдаем. От теории струн ожидалось, что она объяснит, почему элементарные частицы могут иметь именно такие массу и силу, которые они имеют. После тридцати с лишним лет разработки этих идей теоретики обнаружили, что они неспособны достичь ожидаемых амбициозных результатов. Инфляция, однажды начавшись, продолжается вечно и производит Мультивселенную, состоящую из «карманов», свойства которых различаются по любым мыслимым возможностям – плоские и неплоские, гладкие и негладкие, масштабно-инвариантные и не масштабно-инвариантные и так далее. Точно так же возможен и континуум других состояний.

В теории струн произошло подобное же взрывное расширение числа возможностей из-за попыток объяснить открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной. Считается, что это ускорение связано с положительной энергией вакуума – энергией, заключенной в пустом пространстве. Вместо того чтобы предсказывать свойства уникального вакуумного состояния Вселенной и населяющих его частиц и полей, теория струн в ее сегодняшнем понимании говорит, что существует сложный ландшафт вакуумных состояний, соответствующих экспоненциально разным видам частиц и разным физическим законам. Число способов устроить пустое пространство столь велико, что, как нам заявляют, наверняка удастся обеспечить нужное значение пространственной плотности энергии и правильные виды частиц и полей. Смешайте инфляцию и теорию струн – и непредсказуемость еще возрастет. Теперь уже может случиться любая комбинация макрофизических и микрофизических возможностей.

Я подозреваю, что эти теории не получили бы признания, которым они пользуются сегодня, если бы названные мной проблемы широко обсуждались уже в момент появления этих теорий. Исторически, если какая-либо теория не достигала своих целей, ее улучшали или с ней расставались. В данном случае, однако, приверженность этим теориям стала так сильна, что некоторые известные их сторонники вполне всерьез предлагают вообще поменять правила игры. Они говорят, что мы должны быть готовы к тому, чтобы отказаться от старомодной идеи о том, что научные идеи должны давать четко определенные предсказания, и признать, что Теория Чего Угодно – это наилучшее из всего, чего только можно достичь.

Подведем итог. Наука полезна, пока и поскольку она объясняет и предсказывает, почему дело обстоит именно так, а не иначе. Ценность научной теории измеряется количеством бескомпромиссных, критических экспериментов, которые она выдерживает. Теория Чего Угодно бесполезна, потому что она не исключает ни одну возможность и не имеет никакой ценности, поскольку ее нельзя подвергнуть бескомпромиссным экспериментальным проверкам. (Во многих работах обсуждаются потенциально наблюдаемые последствия, но это лишь возможности, а не определенности, так что Теория ничем не рискует.)

Приоритетная задача теоретиков сегодня – определить, можно ли спасти инфляцию и теорию струн от сползания в Теорию Чего Угодно, и если нет – то искать новые идеи им на смену. Поскольку неопровержимая Теория Чего Угодно недобросовестно конкурирует с подлинно научными теориями, то лидеры научного сообщества могут сыграть важную роль, возвысив свой голос, дав ясно понять, что Теория Чего Угодно неприемлема, и тем самым вдохновить талантливых молодых ученых на новые поиски. Чем раньше мы отправим в отставку Теорию Чего Угодно, тем скорее теоретическая физика сможет двигаться дальше.