Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной
После 1998 года, когда было открыто ускоренное расширение Вселенной, то и дело появлялись новые детали головоломки, и все они свидетельствовали в пользу того, что существует какая-то неизвестная форма равномерно распределенной энергии, которая продуцирует отталкивающую гравитацию, а та заставляет Вселенную ускоряться. Сначала была значительно расширена выборка сверхновых, и теперь она покрывает большой диапазон расстояний, так что на ее основании можно делать значительно более надежные выводы. Рисс и его сотрудники провели дальнейшие наблюдения и показали, что нынешней фазе ускорения продолжительностью в шесть миллиардов лет в эволюции Вселенной предшествовала эпоха замедления. И складывается прелестная, убедительная картина: когда Вселенная была меньше и гораздо плотнее, гравитация одерживала верх и замедляла расширение. Однако вспомним, что космологическая постоянная потому и постоянная, что не уменьшается: плотность энергии вакуума постоянна. А плотности вещества и излучения, с другой стороны, на заре Вселенной были чудовищно велики, а с расширением Вселенной уменьшались. Когда плотность вещества и излучения упала ниже энергии вакуума, началось ускорение – и это произошло примерно шесть миллиардов лет назад.
Самое убедительное доказательство, что Вселенная расширяется с ускорением, дали нам наблюдения реликтового излучения, полученные с космического аппарата «Wilkinson Microwave Anisotropy Probe»[442], в сочетании с данными по сверхновым и с добавлением независимых измерений нынешнего темпа расширения (постоянной Хаббла). Сопоставив все ограничения, которые накладывают данные наблюдений, астрономы сумели точно определить предполагаемую долю энергии вакуума в общем энергетическом бюджете нынешней Вселенной. Наблюдения показали, что материя (и обычная, и темная) вместе обеспечивают лишь около 27 % общей плотности энергии во Вселенной, а так называемая «темная энергия» – тот самый равномерно распределенный компонент, который соответствует нашим представлениям об энергии вакуума – составляет около 73 %. То есть необычайно живучая космологическая постоянная Эйнштейна или что-то очень похожее на ее нынешнее обличье – энергия пустого пространства – в настоящее время доминирует во Вселенной!
Поясню, что величина плотности энергии, связанной с космологической постоянной, по данным измерений по-прежнему на 53–123 порядка меньше, чем наивные вычисления количества энергии, которую производит вакуум, однако тот факт, что она точно не равна нулю, очень огорчил многих физиков-теоретиков, которым мечталось совсем о другом. Вспомним, что с учетом неимоверных расхождений между разумным значением космологической постоянной – таким количеством энергии, которую Вселенная может вместить, не треснув по швам, – и ожиданиями теоретиков, многие физики предсказывали, что будет найдена какая-то симметрия, которая приведет к полной аннигиляции этой энергии. То есть они надеялись, что всевозможные начальные энергии, как бы велики они ни были по отдельности, делают свой вклад в общий баланс парами с противоположным знаком, так что в итоге получается ноль. Иногда подобные ожидания опирались на концепции вроде суперсимметрии[443]. Физики, занимающиеся элементарными частицами, предсказывают, что каждой частице из тех, которые мы знаем, любим и ценим, например, каждому электрону и кварку, должен соответствовать еще не открытый суперсимметрический партнер с таким же зарядом (электрическим или зарядом ядра), но со спином меньше на половину квантово-механической единицы. Например, у электрона спин равен ½, а у его «теневого» суперсимметрического партнера должен быть спин 0. Если у всех суперпартнеров будет еще и такая же масса, как и у их известных партнеров, то, по прогнозам теории, каждая пара будет и в самом деле полностью обнулять общий энергетический вклад. К сожалению, мы знаем, что у суперпартнеров электрона, кварка и нейтрино не может быть такой же массы, как у электрона, кварка и нейтрино, иначе мы бы их уже открыли. С учетом этого обстоятельства общий вклад в энергию вакуума по расчетам оказывается больше, чем наблюдаемый, примерно на 53 порядка. Оставалось разве что надеяться, что будет открыта еще какая-то симметрия, которая еще никому в голову не приходила, и она-то и обеспечит желаемое обнуление. Однако когда был совершен научный прорыв и удалось измерить ускорение расширения Вселенной, оказалось, что это маловероятно. Значение космологической постоянной – очень маленькое, но все же отличное от нуля – убедило многих теоретиков, что искать объяснение из соображений симметрии – дело безнадежное. В конце концов, как уменьшить число до 0,00000000000000000000000000000000000000000000000000001 его первоначальной величины и при этом не обнулить его вовсе? Похоже, что подобное решение требует такого уровня тонкости расчетов, какой большинство физиков не готово признать. В принципе, представить себе гипотетический сценарий, благодаря которому энергия вакуума станет равна нулю, гораздо проще, чем тот, где ее значение соответствовало бы результатам наблюдений. Есть ли хоть какой-то выход из этого положения? Некоторые физики от отчаяния даже прибегли к одной из самых неоднозначных концепций в истории науки – к антропному принципу, линии доказательств, согласно которой происходящее отчасти объясняется самим существованием людей как наблюдателей. Сам Эйнштейн не имеет ко всему этому никакого отношения, однако именно его космологическая постоянная – его идея, его «ляпсус» – убедила довольно многих ведущих ученых современности всерьез рассмотреть такое предположение. Вкратце поясню, о чем, собственно, речь.
Антропный принцип
Никто, наверное, не станет спорить, что вопрос «Существует ли внеземной разум?» – один из самых интересных в современной науке. Этот весьма правомерный вопрос проистекает из одного важного соображения: качества нашей Вселенной и законы[444], которым она подчиняется, допускают возникновение сложных форм жизни. Очевидно, биологические характеристики людей во всем зависят от качеств Земли и особенностей ее истории, однако для материализации любой формы разумной жизни, судя по всему, абсолютно необходимы определенные базовые условия. Например, к числу таких логичных и общих для всех условий относятся галактики, состоящие из звезд, и планеты, вращающиеся по орбитам вокруг некоторых из этих звезд. Подобным же образом нуклеосинтез в недрах звезд должен производить строительные кирпичики жизни – атомы вроде углерода, кислорода и железа. Кроме того, Вселенная должна обеспечивать достаточно благоприятную среду обитания в течение достаточно долгого времени, чтобы эти атомы успели скомбинироваться в сложные молекулы, необходимые для возникновения жизни, и чтобы первобытная жизнь успела развиться до «разумной» фазы.
В принципе, можно представить себе «возможные Вселенные», не способствующие возникновению сложных структур. Представим себе, скажем, Вселенную, где законы природы такие же, как у нас, и все «природные постоянные» имеют те же значения, за исключением одной. То есть электромагнитные, ядерные и гравитационные взаимодействия происходят точно так же, как в нашей Вселенной, и соотношения масс элементарных частиц точно такие же. Однако значение одного-единственного параметра – космологической постоянной – в этой гипотетической Вселенной в тысячу раз больше. В такой Вселенной отталкивающая сила, связанная с космологической постоянной, привела бы к такому стремительному расширению, что галактики не успели бы сформироваться.
Как мы убедились, вопрос, унаследованный от Эйнштейна, звучит так: зачем нам вообще нужна космологическая постоянная? Современные физики переформулировали его следующим образом: почему пустое пространство должно служить источником отталкивающей силы? Однако благодаря обнаружению расширения с ускорением сейчас мы задаем вот какой вопрос: почему космологическая постоянная (или сила, испускаемая вакуумом) так мала? Еще в 1987 году, на заре всех прежних неудачных попыток поймать неуловимую энергию пустого пространства, физик Стивен Вайнберг задал очень смелый вопрос из разряда «А что, если»[445]. А что, если на самом деле космологическая постоянная не фундаментальная (то есть объяснимая в рамках «теории всего»), а случайная? Представьте себе, что существует огромная совокупность Вселенных – «множественная Вселенная», – и космологическая постоянная в разных Вселенных, ее составляющих, принимает разное значение. Некоторые Вселенные – например, та «возможная Вселенная», о которой мы говорили выше, где лямбда больше в тысячу раз, – не допускают создания сложных структур и возникновения жизни. Люди, естественно, должны были появиться только в одной из «биофильных» Вселенных. В таком случае, невозможно создать великую всеобщую теорию, которая позволяла бы вычислить значение космологической постоянной, которое мы измерили по данным наблюдений. Ее значение определялось бы одним простым условием: оно должно попадать в диапазон, допускающий возникновение человека. Во Вселенной, где космологическая постоянная слишком велика, не будет никого, кто задался бы вопросом о ее величине. Физик Брэндон Картер, первым выдвинувший подобного рода доводы в 1970 годы, назвал их «антропным принципом»[446]. А попытки определить совокупность условий, необходимых для возникновения жизни, называются «антропной аргументацией». При каких же обстоятельствах мы можем попытаться применить эту аргументацию для объяснения значения космологической постоянной?
