Макс Тегмарк - Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности
Табл. 6.1. Ключевые мультиверсные понятия и их взаимосвязи.
Короче говоря, мультиверс II уровня принципиально меняет наши представления о физических законах. Многие закономерности, которые мы привыкли считать фундаментальными, по определению соблюдающимися всегда и везде, оказались не более чем эффективными законами – локальными нормативными актами, которые могут меняться от места к месту соответственно разным установкам рукояток, задающих различные фазовые состояния пространства. В табл. 6.1 перечисляются эти понятия и поясняется, как они связаны с параллельными вселенными. Эти изменения продолжают давнюю тенденцию. Если Коперник считал фундаментальным закон, гласящий, что планеты движутся по идеальным окружностям, то теперь мы знаем о существовании орбит более общего вида, степень отличия которых от окружности (эксцентриситет) – это, по сути, «рукоятка», которая после завершения формирования Солнечной системы может менять свое положение лишь очень медленно, с большим трудом. Мультиверс II уровня выводит это представление на новую высоту, понижая в ранге многие физические законы с фундаментальных до эффективных. Этим вопросом мы сейчас займемся.
Точная настройка как аргумент в пользу мультиверса II уровня
Так существует ли на самом деле мультиверс II уровня? Аргументы в пользу вечной инфляции (их множество) являются также аргументами в пользу мультиверса II уровня, поскольку из первого вытекает второе. Мы также видели, что если существуют природные законы или постоянные, которые в принципе могут меняться от места к месту, то вечная инфляция обусловит их варьирование внутри мультиверса II уровня. Но существуют ли подтверждения, не завязанные столь сильно на теоретические аргументы?
Я хочу привести довод в пользу того, что они есть: это тот факт, что наша Вселенная кажется очень точно настроенной для жизни. Оказывается, многие из «рукояток», похоже, настроены на весьма специфические значения, и если бы мы могли чуть-чуть их повернуть, жизнь, какой мы ее знаем, стала бы невозможной. Троньте «рукоятку» темной энергии, и галактики никогда не образуются, немного покрутите другую – и атомы станут неустойчивыми, и т. д. Имея недостаточный опыт пилотирования, я всегда боюсь запутаться в рукоятках в кабине самолета, но если бы я мог случайно покрутить «рукоятки» нашей Вселенной, мои шансы на выживание были бы еще ниже.
Вот три основных реакции на наблюдаемую точную настройку:
1. Случайность. Это просто счастливое совпадение, и ничего больше.
2. Замысел. Это свидетельство того, что наша Вселенная была сконструирована некой сущностью (возможно, божеством или высокоразвитой формой жизни, моделирующей вселенные), и «рукоятки» настроены так, чтобы сделать возможной жизнь.
3. Мультиверс. Это свидетельство мультиверса II уровня, поскольку, если все положения «рукояток» где-то реализуются, то естественно, что мы существуем и наблюдаем себя в пригодной для жизни области.
Ниже мы рассмотрим интерпретации случайности и мультиверса, а вариант моделирования отложим до гл. 12. Но сначала разберемся со свидетельствами точной настройки.
Точно настроенная темная энергия
До сих пор наша космическая история была своего рода гравитационным перетягиванием каната между темной материей, которая пытается все стянуть, и темной энергией, которая стремится все разбросать (гл. 4). Поскольку образование галактик связано со сгущением вещества, я думаю, что темная материя – наш друг, а темная энергия – враг. Плотность вещества в космосе в основном обеспечивается темной материей. Ее дружественное гравитационное притяжение помогает формироваться галактикам, как наша. Однако, поскольку космологическое расширение приводит к разрежению темной материи, но не темной энергии, нежелательное гравитационное отталкивание темной энергии в конце концов берет верх, отменяя дальнейшее образование галактик. Это значит, что если бы темная энергия имела значительно большую плотность, она стала бы брать верх гораздо раньше, еще до того, как сформировались бы первые галактики. Результатом явилась бы мертворожденная вселенная, вечно темная и безжизненная, не содержащая ничего сложнее и интереснее почти однородного газа. Если, с другой стороны, плотность темной энергии уменьшилась бы настолько, чтобы стать существенно отрицательной (это допускает эйнштейновская теория гравитации), наша Вселенная прекратила бы расширяться и коллапсировала в Большом хлопке, прежде чем успела бы появиться жизнь. Если вы задумались, как изменить плотность темной энергии, повернув соответствующую «рукоятку» на рис. 6.6, то, пожалуйста, не крутите ее слишком сильно, поскольку для жизни это может иметь такие же печальные последствия, как нажатие кнопки «Выкл.».
Насколько сильно можно повернуть «рукоятку» темной энергии? Текущее ее положение соответствует плотности темной энергии, которую мы измерили на практике, и она составляет около 10–27 кг/м3, что удивительно близко к нулю в сравнении со всем доступным диапазоном. Естественное максимальное значение этого регулятора соответствует плотности темной энергии около 1097 кг/м3, при которой квантовые флуктуации заполняют пространство крошечными черными дырами, а минимальное значение равно той же величине, но со знаком минус. Если полный оборот «рукоятки» темной энергии на рис. 6.6 соответствует изменению плотности на всю величину этого диапазона, то фактическое положение «рукоятки» в нашей Вселенной отстоит от средней точки примерно на 10–123 полного оборота. Это значит, что если вы хотите повернуть «рукоятку» так, чтобы могли образовываться галактики, нужно задать угол поворота с точностью более 120 цифр после запятой! Хотя это кажется невыполнимо точной настройкой, некий механизм, очевидно, оказал эту услугу нашей Вселенной.
Точно настроенные частицы
В следующей главе мы исследуем микромир элементарных частиц. В нем множество «рукояток», определяющих массы частиц, а также то, насколько сильно они взаимодействуют друг с другом.
Научное сообщество постепенно начинает понимать, что точно настроены многие из этих регуляторов. Так, если электромагнитные силы ослабли бы примерно на 4 %, Солнце немедленно взорвалось бы: атомы его водорода стали бы соединяться в дипротоны (не существующую без такой поправки разновидность гелия, не содержащего нейтронов).
Если существенно усилить электромагнетизм, то стабильные атомы, например углерод и кислород, будут испытывать радиоактивный распад.
Если бы слабое ядерное взаимодействие оказалось существенно слабее, то вокруг нас не было бы водорода, поскольку вскоре после Большого взрыва весь он превратился бы в гелий. В обоих случаях – если бы взаимодействие было бы гораздо сильнее или слабее – нейтрино при взрыве сверхновой не могли бы рассеять в космосе внешние слои звезды, и необходимые для жизни тяжелые элементы вроде железа вряд ли смогли бы покинуть звезды, где они образуются, и оказаться в составе планет, например Земли.
Если бы электроны были гораздо легче, то не было бы стабильных звезд, а если значительно тяжелее, то не могли бы существовать упорядоченные структуры, например кристаллы или молекулы ДНК. Если бы протоны оказались на 0,2 % тяжелее, они превращались бы в нейтроны, неспособные удерживать возле себя электроны, – и не было бы атомов. Напротив, если бы протоны были существенно легче, то нейтроны внутри атомов превращались бы в протоны, так что не было бы устойчивых атомов, кроме водорода. На самом деле масса протона зависит от другого регулятора, который имеет очень широкий диапазон варьирования и нуждается в точной настройке до 33 цифры после запятой, чтобы могли существовать стабильные атомы, кроме водорода.
Точная настройка в космологии
Многие из примеров точной настройки были найдены в 70–80-х годах Полом Дэвисом, Брэндоном Картером, Бернардом Карром, Мартином Рисом, Джоном Барроу, Франком Типлером, Стивеном Вайнбергом и другими физиками. Новые примеры продолжают появляться. Свою первую вылазку в эту область я предпринял в компании с Мартином Рисом, седым астрономом с безупречными британскими манерами, который стал одним из моих научных героев. Я не видел никого, кто бывал так счастлив, выступая с докладом – его глаза словно бы лучились. Он первым в научном истеблишменте поддержал меня в том, чтобы, следуя зову сердца, обратиться к «неортодоксальным» идеям. В предыдущей главе мы узнали, что амплитуда первичных космологических флуктуаций составляла около 0,002 %. Мы с Мартином подсчитали, что если бы они были меньше, то галактики не образовались бы, а если больше, то это привело бы к частому падению астероидов и прочим неприятностям.
