В поисках глубинной симметрии

Помимо электромагнетизма квантовые флуктуации других полей также вносят свой вклад в энергию вакуума. Некоторые из этих вкладов оказываются отрицательными, и это дает надежду на то, что положительные и отрицательные вклады в энергию скомпенсируют друг друга. Эта возможность стимулировала многочисленные попытки решения проблемы космологической постоянной.

Все элементарные частицы делятся на два типа: бозоны и фермионы .[82]Фотоны, например, относятся к бозонам, а электроны, позитроны, кварки — к фермионам. Ферми-частицы можно представлять в виде небольших сгущений фермионных полей, однако, в противоположность электромагнетизму, величины таких полей характеризуются так называемыми грассмановыми числами [83], которые очень сильно отличаются от обычных. Когда вы перемножаете обычные числа, результат не зависит от порядка сомножителей; например, 4×6 = 6×4 = 24 . Однако произведение грассмановых чисел при этом меняет знак: А×В = −В×А . Грассманов характер фермионных полей ответствен за многие особенности ферми-частиц, но для нас важно то, что вакуумные флуктуации ферми-полей имеют отрицательную плотность энергии.

Может ли положительная энергия бозе-полей быть скомпенсирована отрицательной энергией ферми-полей? В принципе это возможно, но выглядит крайне маловероятным. Огромные положительные и отрицательные члены уравнений, сложнейшим образом связанные с массами и взаимодействием частиц должны совпасть по величине с точностью лучше, чем единица к гуголу. С чего бы случиться такому чудесному совпадению?

Удивительные сокращения случаются в физике элементарных частиц, но они обычно связаны с некоторой лежащей в их основе симметрией. Возьмем, к примеру, сохранение электрического заряда. Высокоэнергичные столкновения могут порождать мириады новых частиц, но всегда можно быть уверенным, что число положительно и отрицательно заряженных среди них будет в точности равным, так что совокупный заряд останется неизменным. Это свойство связано с особой симметрией уравнений физики элементарных частиц, называемой калибровочной симметрией [84].

Из калибровочной симметрии следует, что электрический заряд сохраняется при любых взаимодействиях элементарных частиц. Красота симметрии состоит в том, что детали не имеют значения. Неважно, каковы массы частиц и в какие взаимодействия они друг с другом вступают. Сохранение заряда имеет место всегда.

Вплоть до самого недавнего времени абсолютное большинство физиков верило, что нечто подобное должно иметь место и в случае энергии вакуума. Должна существовать некая пока еще не открытая глубинная симметрия, которая приводит к сокращению различных вкладов в космологическую постоянную.[85]Начиная с 1970-х годов при участии лучших умов было предпринято множество попыток разобраться, что это может быть за симметрия. Однако несколько десятилетий усилий так и не принесли значимых успехов. Проблема космологической постоянной остается столь же неприступной, как и прежде.

Проблема совпадения

"Любое совпадение, — сказала себе мисс Марпл, — это лучше, чем ничего. Если это просто совпадение, его потом можно отбросить".

Агата Кристи

Когда в конце 1990-х годов две группы астрономов сообщили, что обнаружили признаки далеко не исчезающе малой величины космологической постоянной, их заявление оказалось полнейшей неожиданностью. Как уже говорилось в главе 9, это открытие стало важнейшим событием для теории инфляции. Плотность массы (энергии) вакуума оказалась в точности такой, какая требовалась, чтобы сделать Вселенную плоской. Но для физики элементарных частиц оно стало страшной неприятностью.

Шансы найти решение проблемы космологической постоянной становились теперь и вовсе ничтожными. Симметрия должна работать идеально; она не оставила бы и следа некомпенсированной энергии вакуума. И это еще не все. Фактическое значение космологической постоянной, полученное из новых данных, выглядело крайне подозрительно. Оно было настолько велико, что большинство физиков, занимающихся элементарными частицами, и космологов просто отказывались в него верить, надеясь, что как-нибудь все обойдется.

Наблюдаемая плотность массы вакуума оказалась примерно вдвое больше средней плотности вещества. Удивляло то, что эти две плотности сравнимы друг с другом по величине. Это было странно, поскольку плотность вещества и плотность вакуума совершенно по-разному ведут себя в ходе расширения Вселенной. Плотность вакуума остается совершенно неизменной (до тех пор пока мы остаемся в том же самом вакууме), а плотность вещества убывает с ростом объема. Если эти две плотности сегодня примерно совпадают, значит, в эпоху последнего рассеяния вещество в миллиарды раз превосходило вакуум по плотности, а через секунду ПБВ она была в 10⁴⁵ раз выше. В далеком будущем ситуация сменится на противоположную: плотность вещества станет много меньше, чем у вакуума. Например, через триллион лет она будет в 10⁵⁰ раз меньше.

Таким образом, на протяжении большей части истории Вселенной плотности вещества и вакуума очень сильно различались. Почему же в таком случае нам довелось жить именно в ту особенную эпоху, когда эти две плотности столь близки друг к другу? Если глядеть на огромный диапазон изменения плотности вещества, это совпадение выглядит таким странным, что его трудно считать "просто совпадением".

Похоже, будто Природа пыталась нам что-то сказать. Но, по своему обыкновению, она не озаботилась внятностью формулировки. Почему такая фундаментальная величина, как космологическая постоянная, должна быть связана с плотностью вещества в ту определенную эпоху, когда довелось появиться человеку? Сама мысль о связи этих двух величин выглядела совершенно вздорной. Сообщество физиков элементарных частиц пребывало в замешательстве.

И тогда обнаружился замечательный факт, сделавший ситуацию еще более странной. Ненулевое значение космологической постоянной, не очень далекое от наблюдаемого, как оказалось, было предсказано теоретически за много лет до упомянутых наблюдений. Правда, с этим предсказанием была связана одна проблема. Оно основывалось на так называемой антропной селекции — весьма неоднозначной идее, которой уважающие себя физики избегают как чумы.

Глава 13

Антропные владения

На берегах неизведанного мы обнаружили странные следы. Чтобы объяснить их происхождение, мы выдвигали одну изощренную теорию за другой. Наконец нам удалось реконструировать существо, оставившее следы. И что же? Оказалось, они наши собственные.

Сэр Артур Эддингтон

Фундаментальные постоянные

Свойства любого объекта Вселенной от молекулы ДНК до гигантских галактик определяются в конечном счете несколькими числами — так называемыми фундаментальными постоянными. К числу этих констант относятся массы элементарных частиц и параметры, характеризующие силу четырех фундаментальных взаимодействий — сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Протон, например, на 0,14% легче нейтрона и в 1836 раз массивнее электрона.[86]Гравитационное взаимодействие между двумя протонами в 10⁴⁰ раз слабее их электрического отталкивания. На первый взгляд эти числа кажутся совершенно произвольными. Пользуясь метафорой Крэйга Хогана[87], можно представить себе Творца, сидящего за пультом управления Вселенной и крутящего различные регуляторы для настройки констант: "Поставить 1835 или 1836 ?"

Рис. 13.1. За пультом управления Вселенной.

Но не скрывается ли за внешне случайным набором чисел некая система? Возможно, нет никаких регуляторов для подстройки и все числа предопределены математической необходимостью? Давняя мечта физиков — вывести в конце концов значения всех постоянных из некоторой фундаментальной теории, которую еще предстоит открыть.

Однако сегодня нет никаких признаков того, что выбор констант предопределен. Стандартная модель элементарных частиц, которая описывает сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия всех известных частиц, содержит 25 "подстраиваемых" констант. Их значения определяются из наблюдений.[88]Вместе с недавно открытой космологической постоянной имеется 26 фундаментальных постоянных, которые описывают физический мир. Этот список может расшириться, если будут открыты новые типы частиц или взаимодействий.

Тонкая настройка Вселенной

То, как Творец выбрал значения констант, может показаться простым капризом, и все же удивительным образом за ними, похоже, стоит некая система, хотя и не в обычаях физиков полагаться на нее. Исследования в различных областях физики обнаружили, что многие существенные особенности нашей Вселенной чувствительны к точному значению некоторых констант. Если бы Творец повернул регуляторы немного иначе, Вселенная оказалась бы совершенно иной. И, скорее всего, в ней не было бы ни нас, ни любых других живых существ, способных ею восхищаться.

Для начала рассмотрим влияние массы нейтрона. Как было сказано, она чуть больше массы протона, что позволяет свободному нейтрону распадаться на протон и электрон.[89]Предположим теперь, что мы повернули регулятор массы нейтрона в сторону меньших значений. Внесем очень маленькую коррекцию, не больше 0,2%, чтобы соотношение масс протона и нейтрона изменилось на противоположное. Теперь протоны становятся нестабильными и распадаются на нейтроны и позитроны. Протоны по-прежнему могут оставаться стабильными внутри атомных ядер, но если повернуть ручку сильнее, они будут распадаться и там. В результате ядра потеряют свой электрический заряд, атомы распадутся, поскольку нечему будет удерживать электроны на околоядерных орбитах. Свободные электроны будут образовывать тесные пары с позитронами. Сплетаясь в смертельном танце, они быстро аннигилируют, превратившись в фотоны. Мы в итоге останемся в "нейтронном мире", состоящем из изолированных нейтронных ядер и излучения. В этом мире не будет химии, не будет сложных структур и не будет жизни.

Теперь повернем регулятор массы нейтрона в другую сторону. И вновь увеличение массы лишь на малую долю приведет к катастрофическим изменениям. С увеличением массы нейтроны становятся более нестабильными и с некоторого момента начинают распадаться внутри атомных ядер, превращаясь в протоны. Ядра после этого разрываются из-за электрического отталкивания протонов, которые, обретя свободу, объединяются с электронами и образуют атомы водорода. Получается довольно скучный "водородный мир", в котором не может существовать никаких других элементов.[90]

Продолжим наше исследование и на этот раз посмотрим, какой эффект окажет изменение силы фундаментальных взаимодействий между частицами. Слабое взаимодействие не играет большой роли в современной Вселенной, за исключением грандиозных звездных взрывов — сверхновых. Когда массивная звезда исчерпывает свое ядерное горючее, ее внутреннее ядро коллапсирует под действием собственного веса. При этом выделяется громадная энергия, которая по большей части распространяется в виде слабо взаимодействующих нейтрино. Фотоны и другие частицы, которые участвуют в сильном или электромагнитном взаимодействиях, остаются в ловушке сверхплотного коллапсирующего ядра. По пути наружу нейтрино срывают внешние слои звезды, вызывая колоссальный взрыв. Если бы слабое взаимодействие было существенно сильнее, чем в действительности, нейтрино не могли бы вырваться из ядра, а если бы оно было намного слабее, нейтрино свободно проходили бы сквозь внешние слои, не увлекая их за собой. Таким образом, если существенно изменить силу слабого взаимодействия в ту или в другую сторону, астрономы лишатся одного из самых любимых своих зрелищ.

Думаете, вы сможете прожить и без них? Не спешите; не будем пока поворачивать регулятор. Последствия этих изменений на ранних стадиях космической эволюции могли оказаться куда более опустошительными. Как мы уже обсуждали в главе 4, тяжелые элементы, такие как углерод, кислород и железо, выковываются в звездных недрах, а затем рассеиваются взрывами сверхновых. Эти элементы чрезвычайно важны для образования планет и живых существ. Без сверхновых тяжелые элементы оставались бы похороненными внутри звезд, и в нашем распоряжении оставались бы только легкие, образовавшиеся во время Большого взрыва: водород, гелий и дейтерий с очень небольшой примесью лития, — не слишком подходящий для жизни набор.

Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация намного слабее всех остальных. Ее влияние существенно только при наличии больших скоплений материи — таких как галактики и звезды. На самом деле именно слабость гравитации делает звезды столь массивными: они должны быть достаточно велики, чтобы сжимать горячий газ до высокой плотности, необходимой для ядерных реакций. Если сделать гравитацию сильнее, звезды станут меньше и будут прогорать быстрее. Усиление гравитации в миллион раз уменьшит массы звезд в миллиард раз.[91]Типичная звезда будет иметь массу Луны, а срок ее жизни составит около 10 000 лет (против 10 миллиардов лет для Солнца). Этого времени вряд ли хватит даже на то, чтобы в процессе эволюции развились простейшие бактерии. Но и куда меньшее усиление гравитации уже сделает Вселенную необитаемой. Стократный прирост, например, сделает время жизни звезд много меньше тех нескольких миллиардов лет, которые потребовались для появления разумной жизни на Земле.

Эти и многие другие примеры показывают, что наше присутствие во Вселенной зависит от тонкого баланса различных тенденций, который нарушился бы, будь фундаментальные постоянные существенно отличными от своих фактических значений.[92]О чем говорит нам эта тонкая настройка констант? Указание ли это на Творца, который тщательно отрегулировал постоянные, чтобы сделать возможными жизнь и разум? Возможно. Но существует и совершенно иное объяснение.

Антропный принцип

Альтернативная точка зрения основывается на совершенно ином представлении о Творце. Вместо того чтобы дотошно проектировать одну Вселенную, он небрежно творит их одну за другой, порождая огромное число вселенных с различными и совершенно случайными значениями постоянных. Большинство этих вселенных не более интересны, чем нейтронный мир, но изредка совершенно случайно возникает вселенная с удачно подобранными параметрами, пригодными для жизни.

Если принять эту точку зрения, нам следует задаться вопросом: в какого типа мирах мы могли бы жить? Большинство вселенных окажутся мрачными и непригодными для обитания, но пожаловаться на это будет некому. Все разумные существа обнаружат, что находятся в редких благоприятных вселенных, и будут восхищаться удивительным подбором постоянных, делающих возможным их существование. Этот ход рассуждений известен как антропный принцип . Название было придумано в 1974 году кембриджским астрофизиком Брэндоном Картером[93], который предложил следующую формулировку принципа: "...все наши ожидания в отношении возможных наблюдений должны быть ограничены условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей".[94]

Антропный принцип — это критерий отбора. Он предполагает существование неких отдаленных доменов, где фундаментальные постоянные иные. Эти домены могут располагаться в далеких частях нашей собственной Вселенной или принадлежать другим, совершенно не связанным пространствам-временам. Совокупность доменов с самыми разнообразными свойствами называется мультиверсом — это термин был введен бывшим одноклассником Картера Мартином Рисом, ныне британским королевским астрономом. Далее в этой книге мы встретим три типа мультиверсных ансамблей. Первый состоит из множества регионов, принадлежащих одной Вселенной. Второй тип состоит из отдельных несвязанных вселенных.[95]А третий представляет собой сочетание этих двух: он состоит из множества вселенных, в каждой из которых содержится множество различных регионов. Если мультиверс любого типа действительно существует, то неудивительно, что фундаментальные постоянные так хорошо подходят для жизни. В противном случае они с гарантией будут тонко настроены.

Антропную аргументацию также можно применить к изменениям наблюдаемых свойств во времени, а не только в пространстве. Одним из первых приложений антропного принципа стало объяснение Робертом Дикке современного возраста Вселенной. Он указал, что жизнь может возникнуть только после того, как в звездных недрах будут синтезированы тяжелые элементы. Это занимает несколько миллиардов лет. Элементы затем рассеиваются взрывами сверхновых, и нужно еще несколько миллиардов лет для образования второго поколения звезд и их планетных систем из продуктов взрывов и для протекания биологической эволюции. Так что первые наблюдатели не могли появиться ранее, чем через 10 миллиардов лет ПБВ. Также следует учесть, что звезды, подобные нашему Солнцу, исчерпывают свою ядерную энергию примерно за 10 миллиардов лет, и при этом галактические запасы газа для формирования новых звезд исчерпываются в том же масштабе времени. Примерно через 100 миллиардов лет ПБВ в наблюдаемой Вселенной останется очень мало солнцеподобных звезд.[96]Если предположить, что жизнь исчезнет вместе со смертью звезд, то остается окно, скажем, между 5 и 100 миллиардами лет, когда могут существовать наблюдатели.[97]Неудивительно, что современный возраст Вселенной попадает в это окно.[98]

Использованный Дикке способ применения антропного принципа для получения интервала времени, в течение которого возможно наше существование, не выглядит бесспорным. Но Брэндон Картер, Мартин Рис и некоторые другие физики попытались пойти дальше, используя антропный принцип для объяснения тонкой настройки фундаментальных констант. Вот здесь-то и начинаются разногласия.