Стивен Хокинг - Высший замысел
Пример с конвеевской игрой «Жизнь» показывает, что даже очень простой набор законов может произвести сложные свойства, подобные тем, что присущи разумной жизни. Должно существовать много наборов законов, обладающих этим свойством. Что выбирает законы, управляющие нашей Вселенной? Так же, как и во вселенной Конвея, законы нашей Вселенной определяют развитие системы, учитывая ее состояние в любой момент. В мире Конвея творцами являемся мы — это мы выбираем начальное состояние вселенной, определяя объекты и их расположение в начале игры.
В нашей физической Вселенной аналогами таких объектов игры «Жизнь», как «планеры», выступают отдельные материальные тела. Любой набор законов, описывающих непрерывный мир, подобный нашему, будет иметь понятие энергии, которая сохраняет свое количество, то есть ее количество не изменяется со временем. Энергия пустого пространства будет постоянной, независимой ни от времени, ни от местонахождения. Измеряя энергию любого объема пространства относительно энергии того же объема пустого пространства, эту константу вакуума можно вычесть, поэтому мы вполне можем считать ее равной нулю. Есть условие, которому должны удовлетворять любые законы природы: они должны предписывать, чтобы энергия отдельного тела, окруженного пустым пространством, была положительной, то есть для создания тела нужно проделать работу. Поэтому, если энергия отдельного тела отрицательна, оно может быть создано в состоянии движения таким образом, чтобы его отрицательная энергия была точно уравновешена положительной энергией вследствие его движения. Будь это так, не было бы причины, препятствующей телам возникать где угодно. Пустое пространство было бы тогда нестабильным. Но если для создания отдельного тела нужно потратить энергию, то такой нестабильности не возникает, потому что, как мы уже сказали, энергия вселенной должна оставаться постоянной. Вот что требуется, чтобы вселенная была локально стабильной: нужно сделать ее такой, чтобы ничто не появлялось повсюду просто так из ничего.
Если полная энергия вселенной должна всегда оставаться нулевой и если для создания тела нужно потратить энергию, то как же целая вселенная может быть создана из ничего? Вот зачем нужен закон гравитации. Поскольку гравитация притягивает, гравитационная энергия отрицательна: чтобы разделить связанную гравитацией систему — такую, например, как Земля с Луной, — нужно приложить усилия. Эта отрицательная энергия может быть уравновешена положительной энергией, необходимой для создания материи, но это не так уж просто. Отрицательная гравитационная энергия Земли, например, составляет менее чем одну миллиардную положительной энергии материальных частиц, из которых Земля состоит. Такое тело, как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем звезда меньше, чем ближе различные ее части друг к другу, тем больше будет эта отрицательная гравитационная энергия. Но прежде чем она сможет превысить положительную энергию материи, звезда сожмется и превратится в черную дыру, а черные дыры имеют положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, подобные звездам или черным дырам, не могут появиться просто так, из ничего. А вот вселенная целиком может.
Из-за того что пространство и время формируются гравитацией, пространство-время может быть локально стабильным, но глобально нестабильным. В масштабе всей вселенной положительная энергия материи может уравновешиваться отрицательной гравитационной энергией, и потому нет ограничения для возникновения целых вселенных. Поскольку существует гравитация, вселенная может возникнуть самопроизвольно из ничего путем, о котором рассказано в главе 6. Самопроизвольное рождение и есть причина того, что Вселенная существует. Нет необходимости призывать на помощь Бога, чтобы он поджег фитиль и дал начало развитию Вселенной. Именно поэтому есть что-то, вместо того чтобы не было ничего, поэтому существуем и мы.
Почему законы нашей Вселенной таковы, какими мы их описали? Окончательная теория Вселенной должна быть непротиворечива и должна предсказать конечные результаты для тех величин, которые мы можем измерить. Мы увидели, что требуется наличие закона, подобного закону гравитации, а прочитав главу 5, убедились: для того чтобы теория гравитации предсказала конечные величины, она должна обладать так называемой суперсимметрией между фундаментальными взаимодействиями в природе и материей, на которую они действуют. М-теория является общей суперсимметричной теорией гравитации. Поэтому М-теория — единственный кандидат на место полной теории Вселенной. Если же она конечна — а это еще надо доказать, — то она будет моделью вселенной, способной к самопроизвольному возникновению. Мы должны быть частью такой вселенной, поскольку другой непротиворечивой модели нет.
М-теория и есть та единая теория, которую надеялся найти Эйнштейн. То, что мы, люди, сами являясь всего лишь скоплением фундаментальных природных частиц, смогли столь близко подойти к пониманию законов, управляющих нами и нашей Вселенной, представляет собой великую победу. Но, возможно, истинное чудо в том, что абстрактные логические рассуждения привели нас к уникальной теории, предсказывающей и описывающей огромную изумительно разнообразную Вселенную, простирающуюся перед нашим взором. Если теория подтвердится наблюдениями, это станет успешным завершением поисков, длившихся более 3000 лет. Тогда мы разгадаем Высший замысел.
Словарь терминов
Альтернативные истории — понятие в квантовой теории, подразумевающее, что вероятность любого наблюдения слагается из всех возможных историй, которые могли привести к этому наблюдению.
Амплитуда вероятности — в квантовой теории комплексное число, квадрат абсолютного значения которого дает вероятность.
Антивещество — каждая частица материи имеет соответствующую античастицу. Если они встречаются, то уничтожают друг друга, оставляя чистую энергию.
Антропный принцип — представление о том, что мы можем делать заключения о видимых законах физики, основанное на факте нашего существования.
Асимптотическая свобода — свойство сильного ядерного взаимодействия ослабевать на малых расстояниях. Благодаря этому свойству кварки, удерживаемые в пределах ядра сильным взаимодействием, могут перемещаться внутри ядра так, будто на них вообще не действуют никакие силы.
Атом — основная единица обычной материи, состоящая из ядра с протонами и нейтронами, окруженного вращающимися вокруг электронами.
Барион — элементарная частица, такая как протон или нейтрон, состоящая из трех кварков.
Бозон — элементарная частица, переносящая силу.
Большой взрыв — плотное и горячее начало Вселенной. Теория Большого взрыва предполагает, что около 13,7 миллиарда лет назад та часть Вселенной, которую мы можем видеть сегодня, имела диаметр всего в несколько миллиметров. Сегодня она гораздо шире и холодней, но остатки того раннего периода мы можем наблюдать в виде космического микроволнового фонового излучения, пронизывающего все пространство.
Галактика — крупная система из звезд, межзвездного вещества и темной материи, удерживаемых вместе гравитацией.
Гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Посредством гравитации объекты, обладающие массой, притягиваются друг к другу.
Квантовая теория — теория, в которой у объектов нет единственных определенных историй.
Кварк — элементарная частица с дробным электрическим зарядом, на которую действуют сильные ядерные взаимодействия. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков.
Классическая физика — любая физическая теория, предполагающая, что Вселенная имеет единственную, строго определенную историю.
Космологическая постоянная — параметр в уравнениях Эйнштейна, придающий пространству-времени неотъемлемое стремление к расширению.
Мезон — элементарная частица, составленная из кварка и антикварка.
М-теория — фундаментальная физическая теория, кандидат на место теории всего.
Мультивселенная — множество вселенных.
Нейтрино — крайне легкая элементарная частица, на которую воздействуют только слабые ядерные взаимодействия и гравитация.
Нейтрон — электрически нейтральный барион, который вместе с протоном образует ядра атомов.
Очевидные законы — законы природы, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной: законы четырех сил (фундаментальных взаимодействий), а также параметры, такие как масса и заряд, характеризующие элементарные частицы (в отличие от более фундаментальных законов М-теории, допускающих существование других вселенных с иными законами).
