Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Проблемы физики элементарных частиц и космологии все чаще пересекаются. Существует классическая загадка космологии: почему Вселенная настолько однородна? За 13,8 млрд лет с того момента, как Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения, никакому физическому взаимодействию не хватило бы времени, чтобы связать те части Вселенной, которые мы видим в различных по отношению к себе направлениях, и чтобы наблюдаемое распределение плотности и температуры во Вселенной вследствие этого всюду стало бы однородным. В начале 1980-х гг. выяснилось, что различные квантово-полевые теории предсказывают предшествующий моменту формирования атомных ядер период инфляции, когда Вселенная расширялась экспоненциально. Высокооднородные малые области во время инфляции должны были расшириться до размеров, превышающих современные размеры наблюдаемой Вселенной, оставаясь при этом приблизительно однородными. Конечно, это всего лишь гипотеза, однако она оказалась чрезвычайно успешной. Расчеты показывают, что квантовые флуктуации в процессе инфляции должны были запустить через несколько тысяч лет что-то вроде хаотических волн, отзвуки которых мы сегодня наблюдаем в виде фонового реликтового излучения.

Инфляция хаотична по своей природе. Каждый пузырь, сформировавшийся в расширяющейся Вселенной, в итоге разорвался своим большим или маленьким взрывом, и для всех них, вероятно, характерны различные наборы величин, которые мы обычно называем фундаментальными константами. Обитатели (если таковые есть) одного пузыря не могут видеть другие пузыри, поэтому их пузырь кажется им всей вселенной. Полный набор всех таких вселенных получил название Мультивселенной.

В этих пузырях могут быть реализованы все возможные решения уравнений теории струн. И если так, тогда надежда найти рациональное объяснение точным значениям массы кварков и другим константам Стандартной модели, которые характерны для нашего Большого взрыва, обречена, поскольку это всего лишь случайные значения, установившиеся в той конкретной части Мультивселенной, где мы живем. Нам придется довольствоваться огрубленным вариантом антропного принципа для объяснения некоторых аспектов наблюдаемой Вселенной: любые живые существа, вроде нас с вами, которые могут изучать Вселенную, должны находиться в той ее части, в которой фундаментальные константы допускают эволюцию жизни и разума. Человек действительно может оказаться мерой всех вещей, хоть и не совсем в том смысле, который подразумевал Протагор [40] Древнегреческий философ, софист, автор знаменитого тезиса «Человек есть мера всех вещей». — Прим. пер. .

На сегодня, по-видимому, антропный принцип предлагает единственное объяснение наблюдаемому количеству темной энергии. В Стандартной модели и других известных квантовых теориях поля количество темной энергии просто фундаментальная константа. Это количество может быть любым. За неимением лучшего мы можем предположить, что плотность темной энергии соответствует плотности энергии, характерной для физики элементарных частиц, например плотности энергии в атомном ядре. Однако тогда Вселенная расширилась бы так быстро, что не образовалось бы никаких галактик, звезд или планет. Для эволюционного развития жизни количество темной энергии не может быть много больше или меньше наблюдаемой величины.

Подобные грубые антропные объяснения не совсем то, чего мы ждем от физики, однако они могут нас удовлетворить. История развития физической науки связана не только с поиском точных объяснений явлений природы, но еще и с выявлением тех вещей, которые допускают точные объяснения. И таких вещей может быть меньше, чем мы предполагали.

В сочинении «Исчисление песчинок» Архимед показал, что умеет обращаться с большими числами, оценив количество песчинок, которое потребуется, чтобы заполнить Вселенную. Конечно, Архимед не знал размеров Вселенной; он использовал расчеты Аристарха для определения расстояния до границы небесной сферы, на которой расположены звезды. Большого смысла в этом не было. Его работа представляла интерес не для астрономии, а для математики. Описывая большие числа, он говорил о мириадах, мириадах мириад, мириадах мириад мириад мириад и т. д. В современном языке описать такое количество намного проще: мириада — это 10 000 или десять в четвертой степени, 10 4; мириада мириад — это 10 4, умноженное на 10 4, то есть 10 8; мириада мириад мириад мириад — это 10 8, умноженное на 10 8, то есть 10 16; и т. д. Если перевести выводы Архимеда на современный язык, окажется, что для заполнения Вселенной потребуется не более чем 10 63песчинок.