Карта Вселенной

Веками люди воспринимали космос как статичное холодное пространство. Совсем иным он предстает перед нами сегодня в свете новейших знаний в области космологии. Образование и рост черных дыр, облака темной материи, ускоряющееся расширение Вселенной, эхо Большого взрыва, открытие экзопланет и возможность существования других вселенных — вот некоторые из космологических головоломок начала XXI в. Астрофизик, профессор Йельского университета Приямвада Натараджан находится на переднем крае исследований, она в буквальном смысле создает карты Вселенной — схемы распределения темной материи.

В книге «Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса» Натараджан рассказывает об открытиях, изменивших наши представления о Вселенной в прошедшем веке, о науке, стоящей за ними, и о пути признания радикальных научных теорий; размышляет о том, почему новые идеи о Вселенной и нашем месте в ней часто встречают в штыки даже в научном сообществе. Ведь наука, всегда меняющаяся и неполная, какой она и должна быть, — это лучший способ понять нашу чудесную, таинственную Вселенную.

Книга Приямвады Натараджан Mapping the Heavens: The Radical Scientific Ideas That Reveal the Cosmos была опубликована в 2016 году. Теперь издательство Альпина-нон-фикшн выпускает ее русский перевод. С разрешения издательства мы публикуем фрагмент из последней главы книги Приямвады Натараджан, где обсуждается концепция Мультивселенной.

Выходные данные книги:

Натараджан П. Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса. Пер. с англ. А. Хачояяна, И. Черкашиной. Научный редактор д-р физ.-мат. наук О. Верходанов. Редактор А. Никольский — М.: Альпина нон-фикшн, 2019.

Еще одна радикальная идея, которую необходимо обсудить, лежит в области теоретической физики и математики: Мультиверс (Мультивселенная ). В этой теории предполагается, что наша Вселенная является всего лишь одной из целого множества вселенных. Выше в этой книге мы уже видели примеры того, насколько причудливой и удивительной может выглядеть наша собственная Вселенная, медленной разгадке секретов которой за последние столетия и посвящена предлагаемая книга. Полевые уравнения Эйнштейна позволили сформулировать связи между содержимым, формой и возможной судьбой Вселенной, а астрономические наблюдения последнего столетия лишь подтвердили правильность полученных решений. Сейчас мы знаем модельные решения уравнений, которые наилучшим образом соответствуют наблюдаемым космологическим данным. Эти решения и данные соответствуют модели непрерывно и ускоренно расширяющейся Вселенной.

Как замечает выдающийся космолог Мартин Рис, выясняется, что для полного определения всех свойств Вселенной нам нужно знать только шесть чисел! Все эти числа уже определены эмпирически. Эти ключевые числа физики называют космологическими параметрами, и я их просто перечислю вместе с конкретными значениями: параметр N со значением 10³⁶, являющийся мерой отношения сил электрического и гравитационного взаимодействий между атомами; параметр ε (эпсилон ) со значением 0,007, определяющий силу связи атомных ядер; параметр Ω (омега ), о котором много рассказывалось выше, в главах 4 и 5, равный 1 и служащий мерой содержания энергии-массы во Вселенной; параметр Λ (лямбда), о котором рассказывалось в главах 2 и 5, называемый космологической константой и равный 0,7; параметр Q со значением 10^–6, являющийся мерой интенсивности тех начальных флуктуаций, которые затем стали зародышами всех будущих звезд и галактик, и, наконец, равный количеству пространственных измерений в нашей Вселенной параметр D, равный трем.

Если бы эти космологические параметры отличались от приведенных значений на самую ничтожную величину, хотя бы на сотые доли процента, то мы просто не могли бы существовать! Не было бы ничего. Не существовали бы люди, Земля, Вселенная**. Жизнь на Земле была бы невозможна, так что не появились бы даже наши знания о космосе. Например, если бы значение N было чуть меньше, то время жизни Вселенной стало бы столь коротким (и она сама была бы настолько крошечной), что в ней просто не смогла бы проходить никакая биологическая эволюция. Если бы значение параметра эпсилон уменьшилось на 0,001, то не могли бы синтезироваться никакие химические элементы тяжелее лития, так что стало бы невозможным существование всех известных нам органических соединений. Мы уже говорили о том, какая разная судьба ожидала бы Вселенную (коллапс или расширение) при ничтожных отклонениях значений параметров лямбда и омега , но понятно, что наша история закончилась бы, даже не успев начаться. Столь же великолепно уравновешено в природе значение числа Q, ибо, окажись оно чуть больше, во Вселенной не могли бы возникнуть звезды, а чуть меньше — в мире не существовала ни одна материальная структура из тех, к которым мы привыкли. Что касается значения размерности D, то мы просто не знаем никаких форм жизни, соответствующих, например, размерностям два или четыре.

Все это, конечно, несет особый целенаправленный дух. Для таких доводов даже придуман специальный термин «антропный принцип», означающий некую философскую концепцию, в соответствии с которой все наблюдения в физической Вселенной должны быть как-то сопряжены с существованием сознательной жизни. Таким образом, только точное согласование приведенных выше космологических параметров позволяет нам быть здесь и задавать этот вопрос. Понятно, что наша Вселенная не могла быть специально отобрана для существования именно углеродной жизни. И действительно, кажущаяся «тонкая настройка» нашей Вселенной, скорее всего, является следствием смещения в оценке выбора, поскольку единая Вселенная, способная поддерживать жизнь, одновременно является тем самым местом, где возникают и живут те самые существа, способные воспринимать жизнь и задавать вопросы о смысле существования. Можем ли мы понять или описать, почему указанные параметры имеют именно такие значения? Любые рассуждения на этот счет (к примеру, как могла бы космологическая постоянная омега с ее специфической ролью в судьбе Вселенной действовать при других значениях, например 0,001, 0,1, 10 или даже 42) приводят к логическому выводу, который состоит в том, что мы просто живем именно в такой Вселенной.

Если это просто смещенная оценка при выборе мира, то у нас есть только одна Вселенная, в которой мы можем проводить измерения и по определению не можем прийти к правильному выводу, находясь в ней. Но стоит ли для этого создавать возможность существования других вселенных, где шесть важнейших параметров имеют совершенно отличающиеся значения? В таком случае у космологических параметров будут значения, которые реализуются только в нашей Вселенной, и наша Вселенная будет представлять собой единственную реализацию из многих потенциальных вселенных с их собственными комбинациями значений этих параметров, называемых пузырьковыми вселенными, которые могли бы в принципе существовать и вместе составлять то, что называется Мультивселенной . Это с неизбежностью означает, что может существовать бесконечное число пузырьковых вселенных, каждая из которых имеет собственную шестерку значений космологических параметров.

Если мы встанем на вероятностную точку зрения, что могут существовать другие возможности с соответствующим уровнем правдоподобия, то сделаем прямой вывод о том, что у нас есть конкретная комбинация шести параметров и что возможна другая реализация из бесконечного числа других возможных комбинаций. Конечно, другие значения космологических параметров будут приводить к возникновению совершенно иных вселенных, обладающих иной геометрией, экзотическим содержанием и альтернативной судьбой. Вероятностный подход освобождает нас от необходимости обращаться к антропному принципу, принимать в расчет требования о какой-то сверхтонкой настройке параметров и объяснять, что означают конкретные численные значения для рассматриваемых величин и нас самих. Мы как бы обходим или забываем вопрос о том, почему наша Вселенная имеет именно такие значения параметров, и поэтому можем не вдаваться в рассуждения о том, что она всего лишь одна из набора возможностей. Каждая из этих возможностей может быть реализована и может порождать бесконечное множество пузырьковых вселенных, представляющих собой компоненты Мультивселенной , плывущие вокруг с другими комбинациями космологических параметров, и каждая из которых начинается с собственного Большого взрыва.

Каким образом мы могли бы проверить гипотезу о существовании таких пузырьковых вселенных? Начнем с того, что конечность скорости света обеспечивает нам доступ лишь в некоторую часть Вселенной, оставляя другие области вне зоны наблюдения и исследования. Через миллиард лет видимый горизонт Вселенной значительно увеличится и большая ее часть станет видимой, поскольку к этому моменту свет дойдет до нас от объектов, которые на миллиард световых лет дальше, чем видимый сегодня край. Если свет не может показать, что находится за пределами нашей Вселенной, и через миллиард лет, то как мы можем представить себе процедуру измерения и наблюдения других вселенных?

В умозрительном, воображаемом мире немыслимо больших масштабов концепции типа Мультивселенной приводит к новым интеллектуальным вызовам, при которых объяснения должны связываться не проверяемыми на практике теориями, а экстраполяцией версий уже признанных теорий. Похоже, мы исчерпали лимит научных объяснений, который ранее практически проявлялся в предсказуемом изобретении все более совершенных инструментов познания. Возможно, сейчас нам требуется смена теоретических концепций и установок — реконцептуализация теории.

При этом может возникнуть некое новое фундаментальное ограничение, связанное, с одной стороны, с тем, что в новых объяснениях будут возникать представления о физических условиях, для которых экспериментальная проверка используемых теорий может оказаться просто невозможной. С другой стороны, стоит вспомнить важный урок из истории самой космологии . Мог ли Николай Коперник в 1543 г., после написания книги «О вращении небесных сфер» (De revolutionibus orbium coelestium), хоть как-то предвидеть, что на основе его идей люди в 1969 г. совершат полет на Луну и вернутся на Землю с образцами грунта для изучения? Более того, мог ли он представить себе, что в 2014 г. запущенный с Земли космический зонд Philae сможет точно «попасть» в комету, обозначаемую именем 67Р / Чурюмова — Герасименко и передать с нее изображения? Вероятно, нет. Коперник не мог себе представить ничего подобного, точно так же как не мог вообразить изобретение и применение спектрографов и камер, способных передавать на Землю прекрасные изображения далеких галактик. Точно так же мы сейчас не можем предвидеть, насколько проверяемой окажется любая из существующих сейчас концепций Мультивселенной, однако нет оснований полагать, что эта ситуация будет продолжаться еще пару сотен лет или меньше. Было бы верхом самонадеянности думать, что кто-то может предсказать развитие науки вообще. Все, что нам остается, — дать волю воображению и попытаться разглядеть, какие блестящие и новые возможности может открыть перед нами наука.

Как мы можем начать решение этого сложного вопроса в рамках привычных, объяснимых терминов физики и математики, которые мы разработали? Частично эти вопросы связаны с проблемой описания того, как выглядела Вселенная до Большого взрыва и до ее превращения в привычную нам Вселенную, которую мы можем наблюдать и изучать. Теория струн — направление физики, которое стремится сделать именно это. Она рассматривает частицы во Вселенной в качестве объектов, сгенерированных в эпоху до Большого взрыва в результата колебаний струн, возникающих подобно тем, что происходят в музыкальных инструментах. Представьте себе скрипку, настроенную с помощью натяжения струн. Изменяя натяжение, можно получить различные музыкальные ноты, рассматриваемые как режимы (моды) возбуждения струны. Разумеется, для возникновения звука любые струны должны быть возбуждены. В описываемой теории струн все существующие и регистрируемые сейчас элементарные частицы концептуально рассматриваются в качестве колебаний таких элементарных струн, существовавших до Большого взрыва. На этом, собственно, и кончается аналогия со скрипкой, так как, в отличие от скрипки, теоретические струны не закреплены на деке какого-либо реального инструмента! Теория струн предлагает математический аппарат, который делает возможными вычисления для эпохи до Большого взрыва. Ученые, работающие на границе космологии и теории струн над проблемой возникновения частиц, с большим интересом смотрят на потенциально наблюдаемые проявления Мультивселенной , возможно видимые как рябь в реликтовом излучении, которая могла бы возникнуть при столкновении нашей Вселенной с другой. Мы надеемся на радикальный сдвиг в понимании описываемых процессов, а для этого необходимо найти регистрируемые и измеряемые доказательства существования признаков Мультивселенной в нашей Вселенной.

Возвращаясь к теме шести найденных и измеренных космологических параметров, следует помнить, что, даже если мы предполагаем возможность иных значений этих параметров в других частях нашей Мультивселенной, данный факт не отменяет действие и достоверность совокупности физических законов, которые, мы знаем, работают везде, даже в других вселенных. У нас нет оснований верить, что какая-либо вселенная целиком будет подстраиваться под совершенно иной набор физических принципов, включая ранее неизвестные нам силы.

Независимо от обсуждения необходимости антропного принципа вообще следует отметить, что недавний прогресс в понимании квантовых процессов в самой ранней Вселенной свидетельствует о том, что процессы, определявшие начальные условия ее зарождения, носили, по-видимому, очень общий характер и поэтому могли легко порождать и другие пузырьковые вселенные. Существует даже особый раздел теории струн — так называемая «ландшафтная идея», в которой много пузырьковых вселенных могут генерироваться естественным образом. Эта идея вполне привлекательна в качестве теоретического построения, но и в ней остается спорным вопрос о том, насколько проверяемой является сама гипотеза о существовании Мультивселенной. Может ли теория струн обеспечить окончательный прорыв, необходимый для понимания того, как могли возникнуть другие пузырьковые вселенные? Нам просто нужно подождать и посмотреть.

Оценивая прогресс, достигнутый в космологии хотя бы за последнюю сотню лет, мы видим, что имеются все основания для оптимизма. Современное мышление состоит в том, что в истории космоса было много Больших взрывов, поскольку существование каждой раздувающейся вселенной начинается с собственного первичного огненного шара. То есть процесс возникновения и развития нашей Вселенной должен проходить одинаково и для остальных пузырьковых вселенных (составляющих данную Мультивселенную), каждая из которых имеет собственную геометрию, состав и судьбу. Возможно, нам следует собирать какие-то эмпирические доказательства этого, витающие вокруг нас, хотя все космологи старательно ищут какие-нибудь регистрируемые свидетельства и признаки взаимодействия или даже столкновения двух пузырьковых вселенных. Сейчас предпринимаются попытки смоделировать процессы возникновения, зарождения и развития пузырьковых вселенных. Мы находимся на пороге возможного концептуального прорыва в решении проблемы (то есть мы поймем, корректна ли идея Мультивселенной), а возможно, нам навсегда придется расписаться в неспособности решить этот вопрос.

Однако, даже если мы будем придерживаться вероятностной точки зрения и поверим в существование множества альтернативных вселенных, мы все равно останемся в неведении относительно пределов разрешенных значений шести указанных выше космологических параметров, которые могли бы описать весь набор вероятностей***. Мне кажется, что наиболее интересная возможность заключается в том, что иные вселенные могут подчиняться новым и совершенно необычным для нас законам физики. Концепция Мультивселенной ставит нас перед беспрецедентной философской проблемой, и возможно, для ее решения нам придется привлечь новый метод объяснений и доказательств, при котором будут использоваться не прямые измерения, а некие тесты на согласование экстраполируемых версий для твердо установленных теорий. При этом, вероятно, мы еще долго не сможем ответить на вопрос об уникальности нашей Вселенной.

* Лямбда — космологическая постоянная, с помощью которой описывают одну из потенциальных форм темной энергии. Λ = 1,1056×10^-52m^—2. Плотность же темной энергии, определенной в наблюдениях обсерватории Planck 2018 г., Ω_Λ = 0,6889±0,0056. В правой колонке таблицы величина 0,73 взята из результатов WMAP 2003 г. — Прим. науч. ред.

** Существует допустимая область вариации значений космологических параметров, которая не приводит к фундаментальным нарушениям условий существования мира, описываемого с их помощью. Об этом, в частности, говорит изменение принятой величины плотности темной энергии на 7% после проведения более точных измерений реликтового излучения в миссии Planck. — Прим. науч. ред.

*** Поиском островов стабильности Вселенной при разных значениях космологических параметров занимались еще в 1980-х гг. См., напр.: Новиков И. Д., Полнарев А. Г. и Розенталь И. Л. // Сб. Проблемы поиска жизни во Вселенной. — М.: Наука, 1986. С. 36. — Прим. науч. ред.