Мичио Каку Параллельные миры

Поскольку М-теория вызвала столько волнения в физике, несколько групп ученых попытались применить эту теорию к нашей Вселенной. Представьте, что Вселенная — это три-брана, парящая в пятимерном мире. В такой картине вибрации на поверхности три-браны соответствуют атомам, которые мы наблюдаем вокруг нас. Таким образом, эти вибрации никогда не покидают три-брану, а отсюда следует, что они не могут сместиться в пятое измерение. Даже с учетом того, что наша Вселенная парит в пятом измерении, наши атомы не могут ее покинуть, поскольку они представляют вибрации на поверхности три-браны. Это может стать ответом на вопрос, заданный Калуцой и Эйнштейном в 1921 году: где находится пятое измерение? Ответ таков: мы парим в пятом измерении, но не можем войти в него, потому что наши тела прикованы к поверхности три-браны.

Однако в такой картине существует потенциальный изъян. Гравитация представляет собой искривление пространства. Можно было бы наивно ожидать, что гравитация может заполнить все пятимерное пространство, а не только три-брану; при таком варианте развития событий гравитация бы рассеивалась сразу по выходе из три-браны. Это и ослабляет гравитационное взаимодействие. Это хороший довод в поддержку теории, поскольку, как мы знаем, гравитационное взаимодействие является намного более слабым, чем три других. Но в такой картине сила гравитации слишком ослабляется: был бы нарушен закон обратных квадратов Ньютона, а он прекрасно работает для планет, звезд и галактик. (Представьте себе лампочку, освещающую комнату. Свет распространяется сферически. Сила его рассеивается в пределах сферы. Если мы увеличим радиус сферы вдвое, то свет будет распространяться в сфере с площадью, в 4 раза превосходящей первоначальную. В общем случае существования лампы в n-мерном пространстве яркость ее света убывает, рассеиваясь по сфере, площадь которой увеличивается пропорционально (п — 1) — й степени радиуса).

Чтобы ответить на этот вопрос, группа физиков, в которую входили П. Аркани-Хамед, С. Димопулос и Г. Двали, выдвинула предположение о том, что пятое измерение, возможно, не бесконечно, а находится всего лишь в миллиметре от нашего, покачиваясь прямо над нашей Вселенной, совсем как в научно-фантастическом произведении Герберта Уэллса. (Если бы пятое измерение лежало дальше, чем в миллиметре от нас, то оно могло бы создать измеримые нарушения закона обратных квадратов Ньютона.) А если пятое измерение находится всего лишь на расстоянии одного миллиметра от нас, то такое предположение можно было бы проверить, найдя мельчайшие отклонения от закона тяготения Ньютона для чрезвычайно малых расстояний. Закон Ньютона прекрасно работает на астрономических расстояниях, но его никогда еще не проверяли на расстоянии миллиметров. Сейчас экспериментаторы рвутся проверить крошечные отклонения от закона обратных квадратов Ньютона. В настоящее время получение этого результата является предметом нескольких проводимых экспериментов, как мы увидим в главе 9.

Рэндалл и ее коллега Раман Сундрум решили применить новый подход и пересмотреть возможность того, что пятое измерение находилось не на расстоянии миллиметра от нас, а было бесконечно. Для достижения своей цели им необходимо было объяснить, каким образом пятое измерение могло быть бесконечным, не нарушив при этом закона гравитации Ньютона. Здесь Рэндалл обнаружила возможный ответ на загадку. Она выяснила, что три-брана обладает собственным гравитационным притяжением, которое не давало гравитонам вырваться в пятое измерение. Гравитонам приходится липнуть к три-бране (подобно мухам, попавшимся на липучку) из-за действия гравитации, оказываемого три-браной. Таким образом, оценивая закон Ньютона, мы видим, что он приблизительно верен для нашей Вселенной. Действие гравитации рассеивается и ослабляется, выходя из три-браны и попадая в пятое измерение, но далеко оно не распространяется: закон обратных квадратов все еще приблизительно действует, поскольку гравитоны все же притягиваются к три-бране. (Лизе Рэндалл также принадлежит гипотеза о вероятности существования параллельной нам второй мембраны. Если вычислить едва различимое взаимодействие гравитации между двумя мембранами, то результат можно подогнать таким образом, что мы сможем числен «Первые предположения о том, что дополнительные измерения представляют альтернативные пути обращения к [проблеме иерархии], вызвали бурю волнения, — говорит Рэндалл. — Дополнительные пространственные измерения поначалу могут показаться дикой и безумной идеей, но существуют веские причины считать, что дополнительные измерения пространства действительно существуют».

Если эти физики правы, то гравитационное взаимодействие столь же сильно, как Рё остальные, только РѕРЅРѕ ослабляется, поскольку часть его утекает РІ пространство дополнительных измерений. РћРґРЅРёРј РёР· глубоких следствий этой теории является то, что энергия, РїСЂРё которой квантовые взаимодействия можно измерить, возможно, РЅРµ равна энергии Планка (10¹⁹ млрд электронвольт), как считалось ранее. Возможно, необходимы всего лишь триллионы электронвольт, Р° РІ таком случае РїСЂРё помощи Большого адронного коллайдера (завершение конструирования которого планируется Рє 2007 РіРѕРґСѓ), возможно, удастся уловить квантовые гравитационные эффекты еще РІ этом десятилетии. Это также побудило физиков-экспериментаторов открыть активную охоту РЅР° экзотические частицы Р·Р° пределами Стандартной модели субатомных частиц. Возможно, квантовые гравитационные взаимодействия находятся РІ пределах нашей досягаемости.

Мембраны также предоставляют вполне вероятный, хоть и гипотетический ответ на загадку темного вещества. В романе Герберта Уэллса «Человек-невидимка» главный герой парил в четвертом измерении, а потому был невидим. Подобным образом, представим, что прямо над нашей Вселенной парит параллельный мир. Любая галактика в этой параллельной вселенной будет невидима для нас. Но поскольку гравитация вызвана искривлением гиперпространства, то гравитационное взаимодействие могло бы перемещаться между вселенными. Любая большая галактика в этой параллельной вселенной притягивалась бы через гиперпространство к галактике в нашей Вселенной. Таким образом, измерив свойства наших галактик, мы бы обнаружили, что их гравитационное притяжение гораздо больше, чем ожидалось согласно законам Ньютона, поскольку на заднем плане прячется другая галактика, парящая на соседней бране. Эта скрытая галактика за пределами нашей галактики была бы совершенно невидимой, паря в другом измерении, но она бы казалась рало, окружающим нашу галактику и содержащим в себе 90 % массы. Таким образом, существование темного вещества может объясняться присутствием параллельной вселенной. Сталкивающиеся вселенные

Может быть, и несколько преждевременно применять М-теорию к серьезной космологии. Тем не менее физики попытались применить «физику бран» для нового поворота в стандартном инфляционном подходе ко Вселенной. Внимание привлекают три возможные космологии.

Первая космология пытается ответить на вопрос: почему мы живем в четырех пространственно-временных измерениях? В принципе, М-теория может быть сформулирована во всех измерениях вплоть до одиннадцатого, а потому кажется загадочным, что выделяются именно эти четыре измерения. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа выдвинули гипотезу о том, что причиной этого является геометрия струн.

Согласно предложенному ими сценарию, Вселенная зародилась в идеально симметричном состоянии, при этом все дополнительные измерения были свернуты, измеряясь в масштабах длины Планка, От расширения Вселенную сдерживали петли струн, плотно обмотанные вокруг различных измерений. Представьте себе спираль, которая не может расшириться, потому что она плотно обмотана струнами. Если струны каким-либо образом порвутся, то спираль освободится и расширится.

В этих крошечных измерениях Вселенная не может расшириться из-за обмотки струн и антиструн (грубо говоря, антиструны намотаны в противоположном направлении относительно струн). Если струна и антиструна сталкиваются, то они могут аннигилировать и исчезнуть, что похоже на развязывание узла. В очень больших измерениях настолько «просторно», что струны и антиструны редко сталкиваются и никогда не распутываются. Однако Бранденбергер и Вафа показали, что в трех или менее пространственных измерениях наиболее вероятен вариант событий, при котором струны и антиструны столкнутся. При таких столкновениях струны распутываются и измерения вырываются вовне, что и дает нам Большой Взрыв.

Привлекательной чертой такой картины является то, что топология струн дает нам примерное объяснение, почему мы видим вокруг себя четыре привычных измерения. Вселенные с дополнительными измерениями возможны, но вероятность увидеть эти вселенные ниже, поскольку они все еще плотно обмотаны струнами и антиструнами.

Но в М-теории существуют также и другие возможности. Если вселенные могут откалываться или отпочковываться одна от другой, что рождает новые вселенные, то, быть может, возможно и обратное: вселенные могут сталкиваться. При этом в момент столкновения образуются искры, дающие начало новым вселенным. Согласно такому сценарию, возможно, что Большой Взрыв произошел при столкновении двух параллельных вселенных-бран, а не при отпочковании от другой вселенной.

Эта вторая теория была предложена физиками Полом Щтайн-хардтом РёР· Принстона, Бертом Оврутом РёР· Пенсильвании Рё Нилом РўСѓСЂРѕРєРѕРј РёР· Кембриджского университета, которые создали «экпиротическую» (что РїРѕ-гречески означает «столкновение») Вселенную Рё включили РІ нее оригинальные черты картины, предлагаемой Рњ-теорией. Р’ такой Вселенной некоторые дополнительные измерения могли быть большими Рё даже бесконечными РїРѕ размеру. РћРЅРё начинаются СЃ РґРІСѓС… плоских однородных Рё параллельных три-бран, которые представляют состояние РЅРёР·РєРѕР№ энергии. Р?значально РѕРЅРё зародились как пустые холодные вселенные, РЅРѕ гравитационное взаимодействие постепенно подтягивает РёС… ближе Рё ближе РґСЂСѓРі Рє РґСЂСѓРіСѓ. Р’ конце концов РѕРЅРё сталкиваются, Рё невероятная кинетическая энергия столкновения конвертируется РІ вещество Рё излучение, наполняющие нашу Вселенную. Некоторые называют эту теорию РЅРµ теорией Большого Взрыва, Р° теорией «Большого Хлопка (или Схлопывания)В», поскольку сценарий предполагает столкновение («схлопывание») двухбран.

Сила взрыва разбрасывает вселенные в стороны. Отделяясь друг от друга, эти две мембраны стремительно остывают и дают нам ту самую Вселенную, что мы видим сегодня. Остывание и расширение продолжаются триллионы лет, до тех пор, пока температура вселенных не достигнет температуры абсолютного нуля, а их плотность не составит один электрон на квадриллион кубических световых лет космоса. В сущности, Вселенная становится пустой и инертной. Но сила гравитации продолжает свое действие — она привлекает две мембраны друг к другу до тех пор, пока, спустя еще триллионы лет, они не столкнутся вновь, и этот цикл повторяется снова й снова.

Этот новый сценарий может добавить новые преимущества инфляции (плоскость, однородность). Он разрешает вопрос о том, почему Вселенная такая плоская — потому что с самого начала обе браньг были плоскими. Такая модель также объясняет проблему горизонта, то есть факт, что Вселенная видится такой однородной, куда бы мы ни взглянули. Это происходит потому, что мембране требуется много времени, чтобы медленно прийти в состояние равновесия. Таким образом, в то время как инфляция объясняет проблему горизонта тем, что Вселенная внезапно расширяется, этот сценарий решает проблему горизонта от противного — при помощи предположения о том, что в своем медленном движении Вселенная стремится к равновесию.

(Это также означает, что в гиперпространстве возможно существование других мембран, которые в будущем могут столкнуться с нашей, создавая тем самым еще один Большой Хлопок. Учитывая тот факт, что наша Вселенная ускоряется, еще одно столкновение, в сущности, весьма вероятно. Штайнхардт добавляет: «Возможно, ускорение расширения Вселенной является предвестником такого столкновения. Это не самая приятная мысль».)

Любой сценарий, который резко расходится с общепринятой инфляционной теорией, неизбежно приводит к жарким дебатам. В течение недели после помещения данной работав Сети АндрейЛинде, его жена Рената Каллош (которая занимается теорией струн) и Лев Кофман из Университета Торонто написали критический отзыв по поводу этого сценария. Линде раскритиковал эту модель потому, что нечто столь катастрофичное, как столкновение двух вселенных, могло бы создать сингулярность, где температуры и плотности стремятся к бесконечности. «Подобным образом можно бросить стул в черную дыру, которая испарит частицы стула, а затем сказать, что в ней каким-то образом сохраняется форма стула», — выразил свой протест Линде.

Штайнхардт ответил: «То, что выглядит как сингулярность РІ четырех измерениях, может РІРѕРІСЃРµ РЅРµ являться ею РІ пяти измерениях… РљРѕРіРґР° браньг сталкиваются, пятое измерение временно исчезает, РЅРѕ сами браны РЅРµ исчезают. Поэтому плотность Рё температура РЅРµ возрастают РґРѕ бесконечности, Р° время РЅРµ нарушает СЃРІРѕР№С…РѕРґ. Хотя общая теория относительности здесь просто бесится, струнная теория ведет себя нормально. Р? то, что РєРѕРіРґР°-то выглядело катастрофой для этой модели, теперь кажется поправимым».

РќР° стороне Штайнхардта мощь Рњ-теории, которая, как известно, исключает сингулярности. Р’ сущности, именно поэтому физикам-теоретикам для начала необходима квантовая теория гравитации, чтобы исключить РІСЃРµ бесконечности. Однако Линде указывает РЅР° концептуально слабое место этой картины, Р° именно заявление Рѕ том, что РІ самом начале браны существовали РІ плоском РѕРґРЅРѕСЂРѕРґРЅРѕРј состоянии. «Если начинать СЃ совершенства, то возможно объяснить то, что РІС‹ видите… РЅРѕ РІС‹ РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ РЅРµ ответили РЅР° РІРѕРїСЂРѕСЃ: почему вселенная должна родиться совершенной?В» — возражает Линде. Штайнхардт отвечает: «Плоское плюс плоское дает РІ СЃСѓРјРјРµ плоское». Р?ными словами, необходимо допустить, что мембраны родились РІ состоянии самой РЅРёР·РєРѕР№ энергии — будучи плоскими.

Р? наконец, существует еще РѕРґРЅР° возможная теория космологии, задействующая струнную теорию. Это теория событий, происшедших РґРѕ Большого Взрыва, которая принадлежит Габриэлю Венециано, тому самому физику, который РїРѕРјРѕРі заложить РѕСЃРЅРѕРІС‹ этой теории РІ 1968 РіРѕРґСѓ. Согласно его теории, Вселенная зародилась как черная дыра. Если РјС‹ хотим знать, РЅР° что похожа черная дыра изнутри, то нам всего лишь надо оглянуться назад.

Согласно этой теории, в действительности Вселенная бесконечно стара. Зародилась она в далеком прошлом и была почти пустой и холодной. Гравитационное взаимодействие начало подтягивать комки вещества друг к другу по всей Вселенной. Постепенно эти скопления стали настолько плотными, что превратились в черные дыры. Вокруг каждой черной дыры начал формироваться горизонт событий, прочно отделяя все, лежащее за горизонтом событий, от того, что находилось в его пределах. Внутри каждого такого горизонта событий вещество продолжало сжиматься под действием силы гравитации до тех пор, пока в конце концов черная дыра не достигла размеров длины Планка.

В этот момент вступает струнная теория. Длина Планка является минимальным расстоянием, допустимым в струнной теории. Затем в черной дыре начинается обратный процесс: происходит огромный взрыв, который и является Большим Взрывом. Поскольку этот процесс может неоднократно происходить во всей Вселенной, это означает, что могут существовать и другие далекие черные дыры/ вселенные.

(Мысль Рѕ том, что наша Вселенная может быть черной дырой, РЅРµ настолько притянута Р·Р° уши, как это может показаться. Р?нтуитивно РјС‹ понимаем, что черная дыра должна быть чрезвычайно плотной Рё обладать невероятным разрушающим гравитационным полем, РЅРѕ так случается РЅРµ всегда. Размер горизонта событий черной дыры пропорционален ее массе. Чем более массивна черная дыра, тем больше ее РіРѕСЂРёР·РѕРЅС‚ событий. РќРѕ больший РіРѕСЂРёР·РѕРЅС‚ событий означает, что вещество распределено РІ большем объеме. Р’ результате РІ действительности плотность уменьшается РїРѕ мере того, как возрастает масса. Р’ сущности, если Р±С‹ черная дыра обладала массой нашей Вселенной, то ее размер примерно соответствовал Р±С‹ размеру нашей Вселенной, Р° плотность ее была Р±С‹ заметно ниже, чем РІ нашей Вселенной.)

Однако некоторых астрофизиков РЅРµ впечатляет применение струнной теории Рё Рњ-теории Рє космологии. Джоэл Примак РёР· Калифорнийского университета РІ Санта-РљСЂСѓСЃРµ дает более СЃСѓСЂРѕРІСѓСЋ оценку событий: «Я думаю, что глупо всерьез заниматься всем этим. Р?деи, предлагаемые РІ этих работах, РІ принципе РЅРµ подлежат проверке». Только время покажет, прав ли Примак, РЅРѕ поскольку темпы развития струнной теории увеличиваются, РІСЃРєРѕСЂРµ РјС‹ можем найти решение этой проблемы, Р° прийти РѕРЅРѕ может СЃ наших космических спутников. Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј РІ главе 9, Рє 2020 РіРѕРґСѓ планируется отправка РІ открытый РєРѕСЃРјРѕСЃ РЅРѕРІРѕРіРѕ поколения детекторов гравитационных волн, таких, как LISA (космическая лазерная антенна-интерферометр). Р?менно эти детекторы дадут нам возможность отбросить или подтвердить некоторые РёР· этих теорий. Если права, Рє примеру, инфляционная теория, то LISA должна уловить сильнейшие гравитационные волны, образовавшиеся РІ С…РѕРґРµ первоначального процесса расширения. Однако экпиротическая Вселенная прогнозирует медленное столкновение вселенных Рё, следовательно, гораздо более РјСЏРіРєРёРµ волны. LISA должна экспериментально опровергнуть РѕРґРЅСѓ РёР· этих теорий. Р?ными словами, РІ гравитационных волнах, образовавшихся РїСЂРё изначальном Большом Взрыве, закодированы данные, необходимые для определения того, какой сценарий является верным. LISA может впервые представить основательные экспериментальные результаты, касающиеся теории инфляции, струнной теории Рё Рњ-теории. Черные РјРёРЅРё-дыры

Поскольку струнная теория РІ действительности является теорией всей Вселенной, то для ее проверки необходимо создать Вселенную РІ лаборатории (СЃРј. главу 9). Обычно РјС‹ ожидаем, что квантовые эффекты гравитации проявятся РїСЂРё энергии Планка, что РІ квадриллион раз мощнее, чем самый мощный ускоритель частиц, имеющийся РІ нашем распоряжении, — Рё, следовательно, проверка струнной теории прямым путем невозможна. РќРѕ если Рё вправду есть параллельная вселенная, которая существует РЅР° расстоянии меньше миллиметра РѕС‚ нашей, то энергия, РїСЂРё которой РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ слияние Рё проявляются квантовые эффекты, может быть довольно РЅРёР·РєРѕР№, РІ пределах досягаемости следующего поколения ускорителей частиц, таких, как Большой адронный коллайдер. Это предположение, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, вызвало лавину интереса РІ физике черных дыр. РџСЂРё этом наиболее интересными оказались «черные РјРёРЅРё-дыры». Черные РјРёРЅРё-дыры, которые ведут себя РїРѕРґРѕР±РЅРѕ субатомным частицам, являются «лабораторией», РІ которой можно проверить некоторые РёР· РїСЂРѕРіРЅРѕР·РѕРІ струнной теории. Физиков очень возбуждает возможность создания таких дыр РїСЂРё помощи Большого адронного коллайдера. (Черные РјРёРЅРё-дыры очень малы, РёС… размеры сравнимы СЃ размерами электрона, Рё можно РЅРµ опасаться того, что РѕРЅРё поглотят Землю. Космические лучи, бьющие РїРѕ Земле, — обычное дело. Р?С… энергии намного превосходят черные дыры, тем РЅРµ менее РІСЃСЏРєРѕРµ вредное воздействие РЅР° планету отсутствует.)

В действительности идея черной дыры, скрывающейся за субатомной частицей, стара. Впервые ее предложил Эйнштейн в 1935 году. С точки зрения Эйнштейна, должна существовать единая теория поля, в которой вещество, состоящее из субатомных частиц, можно было бы рассматривать как некое искривление материи пространства-времени. Эйнштейн считал, что субатомные частицы вроде электрона в действительности являются «изгибами» или порталами-червоточинами в искривленном пространстве, которые на расстоянии выглядят как частицы. Эйнштейн и Натан Розен рассматривали идею о том, что электрон может в действительности выть замаскированной черной мини-дырой. Эйнштейн по-своему ропытался включить вещество в состав такой единой теории поля, которая свела бы субатомные частицы к чистой геометрии.

Черные РјРёРЅРё-дыры были СЃРЅРѕРІР° предложены Стивеном РҐРѕРєРёРЅРіРѕРј, который доказал, что черные дыры должны слабо испарять Рё испускать энергию. Р’ течение РјРЅРѕРіРёС… СЌРїРѕС… черная дыра испустила Р±С‹ акое РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ количество энергии, что постепенно Р±С‹ сжалась Рё РІ юнце концов превратилась Р±С‹ РІ субатомную частицу. Сегодня струнная теория заново представляет концепцию черных РјРёРЅРё-дыр. Р’СЃРїРѕРјРЅРёРј Рѕ том, что черные дыры образуются, РєРѕРіРґР° большое количество вещества сжимается РґРѕ радиуса Шварцшильда. Масса Рё энергия РјРѕРіСѓС‚ быть конвертированы РґСЂСѓРі РІ РґСЂСѓРіР°, Р° это значит, что черные дыры можно также создать путем сжатия энергии. Ученые задаются РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј Рѕ том, сможет ли Большой адронный коллайдер создать черные РјРёРЅРё-дыры среди остатков, образующихся РїСЂРё столкновении РґРІСѓС… протонов РїСЂРё энергии РІ 14 триллионов электронвольт. Такие черные дыры были Р±С‹ очень малы Рё имели Р±С‹ массу, возможно, РІ тысячу раз меньше электрона, Р° жизнь РёС… измерялась Р±С‹ периодом лишь РІ 10~²³ секунды. РќРѕ РѕРЅРё были Р±С‹ отчетливо РІРёРґРЅС‹ среди следов субатомных частиц, созданных Большим адрон-ным коллайдером.

Физики также надеются на то, что космические лучи из открытого космоса могут содержать в себе черные мини-дыры. Техника в обсерватории имени Пьера Оже в Аргентине, предназначенная для изучения космических лучей, настолько чувствительна, что может уловить некоторые из самых больших вспышек космических лучей в истории науки. Ученые возлагают надежды на то, что черные мини-дыры могут быть обнаружены в естественном виде среди космических лучей, которые попадают в верхние слои земной атмосферы, порождая тем рамым широкие атмосферные ливни. Один из подсчетов показывает, что в год детектор космических лучей смог бы уловить до десяти ливней космических лучей, вызванных такой черной мини-дырой.

Обнаружение черной мини-дыры либо при помощи Большого адронного коллайдера в Швейцарии, либо при помощи детектора космических лучей в Обсерватории Пьера Оже в Аргентине, возможно, уже в этом десятилетии представило бы веское доказательство в пользу существования параллельных вселенных. Хотя это доказательство не окончательно подтвердило бы правильность струнной теории, оно бы убедило все физическое сообщество в том, что струнная теория согласуется с экспериментальными результатами и что ее разработка продвигается в нужном направлении. Черные дыры и информационный парадокс

Струнная теория может также пролить свет на некоторые из глубочайших парадоксов физики черных дыр, такггх, как информационный парадокс. Как вы помните, черные дыры не абсолютно черные, они испускают малые количества излучения посредством туннелиро-вания. Согласно квантовой теории, существует небольшая вероятность того, что излучение может вырваться из тисков гравитации черной дыры. Это приводит к медленной утечке излучения из черной дыры. Такое излучение называется излучением Хокинга.

Этому излучению, в свою очередь, присуща некоторая температура (которая пропорциональна площади поверхности горизонта событий черной дыры). Хокинг дал общий вывод этого уравнения, который не отличался доскональной точностью. Однако более тщательный вывод потребовал бы привлечения всей мощи статистической механики (основанной на подсчете квантовых состояний черной дыры). Обычно расчеты в статистической механике осуществляются как подсчет количества состояний, в которых может находиться атом или молекула. Но как можно подсчитать квантовые состояния черной дыры? Согласно теории Эйнштейна, черные дыры абсолютно гладкие, а потому посчитать их квантовые состояния представляется довольно проблематичным.

Ученые, занимающиеся теорией струн, РёР·Рѕ всех СЃРёР» стремились закрыть этот пробел, поэтому Р­РЅРґСЂСЋ Стромингер Рё РљСѓРјСЂСѓРЅ Вафа РёР· Гарварда решили проанализировать черную дыру РїСЂРё помощи Рњ-теории. Поскольку СЃ самой черной дырой работать было слишком сложно, РѕРЅРё избрали РґСЂСѓРіРѕР№ РїРѕРґС…РѕРґ Рё задали умный РІРѕРїСЂРѕСЃ: что дуально РїРѕ отношению Рє черной дыре? (РњС‹ РїРѕРјРЅРёРј, что электрон дуален РїРѕ отношению Рє магнитному монополю, такому, как единичный северный полюс. Отсюда путем изучения электрона РІ слабом электрическом поле, что достаточно просто, РјС‹ можем проанализировать гораздо более сложный эксперимент: монополь, помещенный РІ очень большое магнитное поле.) Р?так, ученые надеялись, что дуальный РїРѕ отношению Рє черной дыре объект окажется более легким РІ исследовании, хотя РІ конечном счете РѕРЅРё получат тот же самый результат. РџСЂРё помощи СЂСЏРґР° математических процедур Стромингеру Рё Вафе удалось показать, что черная дыра дуальна РїРѕ отношению Рє скоплению РѕРґРЅРѕ-бран Рё пяти-бран. Это принесло ученым РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ облегчение, поскольку квантовые состояния этих бран были известны. РљРѕРіРґР° Стромингер Рё Вафа затем посчитали количество квантовых состояний, РѕРЅРё обнаружили, что РѕРЅРѕ РІ точности соответствовало результату, данному РҐРѕРєРёРЅРіРѕРј.

Это стало приятной новостью. Струнная теория, часто высмеиваемая за то, что она не связана с реальным миром, давала, возможно, самое изящное решение термодинамики черной дыры. Теперь ученые, работающие с теорией струн, пытаются подступиться к более сложной проблеме в физике черных дыр — «информационному парадоксу». Хокинг доказал, что если бросить что-либо в черную дыру, то информация, заключенная в этом объекте, будет утеряна безвозвратно и навсегда. (Так можно было бы совершить идеальное преступление. Преступник мог бы воспользоваться черной дырой, чтобы уничтожить все обличающие его улики.) Единственными параметрами, которые мы можем измерить для черной дыры на расстоянии, являются ее масса, спин и заряд. Не имеет значения, что бросить в черную дыру, — все равно вся информация, содержащаяся в объекте, будет утеряна. (Это соответствует утверждению о том, что «у черных дыр нет волос», что они «лысые», то есть потеряли всю информацию, все «волосы», за исключением этих трех параметров.)

Потеря информации из нашей Вселенной кажется неизбежным следствием теории Эйнштейна, но это противоречит принципам квантовой механики, которые гласят, что в действительности информацию потерять нельзя. Эта информация должна парить где-то в нашей Вселенной, даже если изначально содержащий ее объект бросили в пасть черной дыры. Хокинг писал:

Большинству физиков хотелось бы верить, что информация не теряется, поскольку тогда мир стал бы безопасен и предсказуем. Но я считаю, что если серьезно подходить к общей теории относительности Эйнштейна, то необходимо принять во внимание возможность того, что пространство-время запутывается в узлы и вся информация теряется в образующихся складках. Выяснение того факта, теряется в действительности информация или нет, является одним из основных вопросов теоретической физики на сегодняшний день.

Этот парадокс, ставший тем пунктом, РІ котором РҐРѕРєРёРЅРі разошелся РІРѕ мнении СЃ большинством специалистов РїРѕ струнной теории, РІСЃРµ еще РЅРµ нашел своего разрешения. РќРѕ ставки среди этих ученых делаются РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј РЅР° то, чтав конечном счете РјС‹ обнаружим, РєСѓРґР° девается теряемая информация. (Например, если РІ черную дыру бросить РєРЅРёРіСѓ, то вполне вероятно, что информация, заключенная РІ РєРЅРёРіРµ, плавно просочится обратно РІ нашу Вселенную РІ РІРёРґРµ крошечных вибраций, содержащихся РІ излучении РҐРѕРєРёРЅРіР° испаряющейся черной дыры. Р?ли, возможно, эта информация появится РёР· белой дыры РїРѕ РґСЂСѓРіСѓСЋ сторону черной.) Р?менно поэтому лично СЏ считаю, что если кто-РЅРёР±СѓРґСЊ вычислит, что РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ СЃ информацией, РєРѕРіРґР° РѕРЅР° исчезает РІ черной дыре согласно струнной теории, то РѕРЅ (или РѕРЅР°) обнаружит, что РІ действительности информация РЅРµ теряется — РѕРЅР° незаметно появляется РіРґРµ-то еще.

Р’ 2004 РіРѕРґСѓ РҐРѕРєРёРЅРі, РєРѕ всеобщему удивлению, заявил перед телевизионными камерами, что РѕРЅ пересмотрел СЃРІРѕРё взгляды РЅР° проблему информации, Рё этим заявлением обеспечил себе место РЅР° первой странице «Нью-Йорк тайме». РћРЅ признал, что ошибался РїРѕ этому РїРѕРІРѕРґСѓ. (Р—Р° тридцать лет РґРѕ того РҐРѕРєРёРЅРі РїРѕСЃРїРѕСЂРёР» СЃ РґСЂСѓРіРёРјРё физиками, что информация РЅРµ могла утечь РёР· черной дыры. Победитель этого пари должен был купить проигравшему хорошую СѓРґРѕР±РЅСѓСЋ энциклопедию.) РҐРѕРєРёРЅРі заново провел некоторые РёР· СЃРІРѕРёС… расчетов Рё сделал вывод, что если такой объект, как РєРЅРёРіР°, попадал РІ черную дыру, то РѕРЅ РјРѕРі нарушить поле испускаемого черной дырой излучения, тем самым позволяя информации утекать обратно РІРѕ Вселенную. Р?нформация, содержащаяся РІ РєРЅРёРіРµ, была Р±С‹ закодирована РІ излучении, медленно просачивающемся Р·Р° пределы черной дыры, РЅРѕ уже РІ искаженной форме.

С одной стороны, такой подход поставил Хокинга в один ряд с большинством квантовых физиков, которые считают, что информация не может быть утеряна. Но это также вызвало следующий вопрос: может ли информация попасть в параллельную вселенную? На ервый взгляд, результат Хокинга ставил под сомнение идею о том, го информация может попасть через портал-червоточину в параллельную вселенную. Однако никто не верит в то, что в этом вопросе сказано последнее слово. До тех пор пока не будет полностью разработана струнная теория или не будет проведен полный квантовый гравитационный расчет, никто не поверит, что информационный Парадокс полностью разрешен. Голографическая вселенная

Р? наконец, существует довольно загадочный РїСЂРѕРіРЅРѕР· Рњ-теории, доторый еще РЅРµ РґРѕ конца понятен, РЅРѕ может иметь далеко идущие физические Рё философские последствия. Этот результат заставляет «гас задать следующий РІРѕРїСЂРѕСЃ: является ли вселенная голограммой? Существует ли «вселенная-тень», РІ которой наши тела существуют РІ сжатом двумерном РІРёРґРµ? Это также вызывает еще РѕРґРёРЅ столь же ролнующий РІРѕРїСЂРѕСЃ: является ли вселенная компьютерной программой? Можно ли загнать вселенную РЅР° компакт-РґРёСЃРє Рё проигрывать его РЅР° РґРѕСЃСѓРіРµ?

Сейчас голограммы используются на кредитных картах, в детских музеях и в парках развлечений. Они примечательны тем, что могут фиксировать завершенное трехмерное изображение на двумерной поверхности. Если вы взглянете на фотографию, а затем пошевелите головой, то изображение на фотографии не изменится. Но если вы взглянете на голографическую картинку, а затем пошевелите головой, и вы увидите, что изображение меняется, как если бы вы смотрели него через окно или в замочную скважину. (Голограммы могут в юнечном счете привести к появлению трехмерного телевидения и кино. В будущем мы, очень может быть, получим возможность рас-биться в гостиной и посмотреть на настенный экран, который даст нам полное трехмерное изображение далеких мест, как если бы растеннып телеэкран был окном, открытым на новый пейзаж. Далее, если бы настенный экран имел форму большого цилиндра, а наша гостиная при этом находилась бы в самом центре, то нам казалось бы, что мы перенеслись в новый мир. Куда бы мы ни глянули, мы бы увидели трехмерное изображение новой реальности, неотличимое от реального объекта.)

Суть голограммы состоит РІ том, что РІ двумерной поверхности голограммы закодирована РІСЃСЏ информация, необходимая для воспроизведения трехмерного изображения. (Голограммы создаются РІ лабораторных условиях РїСЂРё помощи облучения чувствительной фотопленки рассеянным РЅР° предмете лазерным светом, интерферирующим СЃ исходным излучением. Р?нтерференция РґРІСѓС… световых источников создает картину, которая «вмораживает» изображение РІ двумерную пластину.)

Некоторые космологи предположили, что такой РїРѕРґС…РѕРґ можно применить Рё Рє самой вселенной — что РјС‹, возможно, живем РІ голограмме. Р?стоки этого необычного предположения РІРѕСЃС…РѕРґСЏС‚ Рє физике черных дыр. Бекенштейн Рё РҐРѕРєРёРЅРі выдвигают гипотезу Рѕ том, что суммарное количество информации, содержащееся РІ черной дыре, пропорционально площади поверхности ее горизонта событий (который представляет СЃРѕР±РѕР№ сферу). Это довольно странный результат, потому что обычно информация, заключенная РІ объекте, пропорциональна его объему. Например, количество информации, содержащейся РІ РєРЅРёРіРµ, пропорционально ее толщине, Р° РЅРµ площади обложки. РњС‹ понимаем это РЅР° инстинктивном СѓСЂРѕРІРЅРµ, РєРѕРіРґР° РіРѕРІРѕСЂРёРј, что Рѕ РєРЅРёРіРµ нельзя судить РїРѕ обложке. РќРѕ интуиция РїРѕРґРІРѕРґРёС‚ нас РІ случае СЃ черными дырами: РјС‹ вполне можем судить Рѕ черной дыре РїРѕ ее «обложке».

РњС‹ можем отбросить эту любопытную гипотезу, поскольку черные дыры сами РїРѕ себе — причудливые РґРёРєРѕРІРёРЅРєРё, РіРґРµ обычная интуиция РїРѕРґРІРѕРґРёС‚. Однако этот результат также относится Рє Рњ-теории, которая может дать нам самое лучшее описание всей Вселенной. Р’ 1997 РіРѕРґСѓ Хуан Малдасена РёР· Р?нститута передовых исследований РІ Принстоне вызвал сенсацию, показав, что струнная теория ведет Рє РЅРѕРІРѕРјСѓ типу голографической вселенной.

Он начал с пятимерной «антидеситтеровой вселенной», которая часто фигурирует в струнной теории и теории супергравитации. Вселенная де Ситтера обладает космологической константой с положительным значением, создавая тем самым ускоряющуюся

Вселенную. (РњС‹ РїРѕРјРЅРёРј, что РІ настоящее время наша Вселенная лучше всего представляется РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ вселенной РґРµ Ситтера, РІ которой космологическая константа толкает галактики прочь РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР° РЅР° РІСЃРµ увеличивающихся скоростях. Р’ антидеситтеровой вселенной космологическая константа имеет отрицательное значение, Р° потому такая вселенная может взорваться.) Малдасена показал, что между этой пятимерной вселенной Рё ее четырехмерной «соседкой» существуют отношения дуальности. Что странно, любые существа, обитающие РІ этом пятимерном пространстве, были Р±С‹ РІ математическом отношении эквивалентны существам, живущим РІ четырехмерном пространстве. Р?С… просто РЅРµ различить.

Р?спользуем РіСЂСѓР±СѓСЋ аналогию. Представьте рыбок, плавающих РІ аквариуме. Эти рыбки думают, что РёС… аквариум Рё есть реальность. Теперь представьте голографическое изображение этих рыбок, проектируемое РЅР° поверхность того же аквариума. Это изображение содержит точную РєРѕРїРёСЋ трехмерных рыбок, только плоскую. Любое движение рыбок РІ аквариуме РІ точности воспроизводится рыбками РЅР° поверхности аквариума. Р? рыбки, плавающие РІ аквариуме, Рё плоские рыбки, живущие РЅР° его поверхности, считают, что именно РѕРЅРё настоящие, Р° те РґСЂСѓРіРёРµ — это всего лишь иллюзия. Р? РѕРґРЅРё рыбки, Рё вторые живы Рё ведут себя как настоящие. Какое РёР· описаний является верным? Р’ действительности верны РѕР±Р°, поскольку математически РѕРЅРё эквивалентны Рё неразличимы.

Ученых, занимающихся теорией струн, глубоко взволновал тот факт, что производить вычисления для антидеситтеровского пятимерного пространства сравнительно легче, в то время, как четырехмерные теории поля печально известны тем, что с ними трудно работать. (Даже сегодня, спустя десятилетия напряженной работы, наши мощнейшие компьютеры не могут найти решение для четырехмерной кварковой модели и вывести массы протонов и нейтронов. Уравнения для самих кварков вывести очень легко, но разрешить их в четырех измерениях и получить свойства протонов и нейтронов оказалось сложнее, чем считалось раньше.) Одной из задач является вычисление масс и свойств протона и нейтрона при помощи этой Причудливой дуальности.

Такая голографиче екая дуальность может также найти практическое применение, такое, как решение проблемы информации РІ физике черных дыр. Р’ четырех измерениях чрезвычайно трудно доказать, что информация РЅРµ теряется, РєРѕРіРґР° РјС‹ бросаем объекты РІ черную дыру. РќРѕ такое пространство дуально РїРѕ отношению Рє пятимерному РјРёСЂСѓ, РІ котором, возможно, информация РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ теряется. Ученые надеются, что те проблемы, которые РЅРµ поддаются решению РІ четырех измерениях (такие, как проблема информации, вычисление масс кварковой модели Рё так далее), РјРѕРіСѓС‚ разрешиться РІ пятимерной модели, РіРґРµ математика проще. Р? всегда возможно, что эта аналогия РІ действительности — отражение реального РјРёСЂР°, Р° РјС‹ существуем как голограммы. Является ли Вселенная компьютерной программой?

Как мы уже наблюдали, Джон Уилер считал, что всю физическую реальность можно свести к чистой информации. Бекенштейн продвигает идею информации в черной дыре еще на один шаг вперед, задавая вопрос, который заводит нас в неизведанные земли: является ли вся Вселенная компьютерной программой? Являемся ли мы всего лишь битами на космическом компакт-диске?

Вопрос о том, живем ли мы в компьютерной программе, получил блестящее воплощение на киноэкране в фильме «Матрица», где пришельцы свели всю физическую реальность к компьютерной программе. Миллиарды людей считают, что они живут повседневной жизнью, понятия не имея о том, что все это лишь сгенерированная компьютером фантазия, в то время как их настоящие тела спят в коконах, а пришельцы используют их как источники энергии.

В этом фильме возможно запускать меньшие компьютерные программы, которые могут создавать искусственные мини-реальности. Если вы хотите стать мастером кун-фу или пилотом вертолета, то вы просто вставляете компакт-диск в компьютер, программа подается в мозг и — presto! Вы мгновенно усваиваете эти сложные навыки. Когда запускается компакт-диск, создается целая новая субреальность. Но это вызывает интригующий вопрос: можно ли поместить на диск всю реальность? Компьютерная мощность, необходимая, чтобы симулировать реальность для миллиардов спящих людей, поистине ошеломляет. Но все же теоретический вопрос: может ли вся Вселенная быть оцифрована в завершенную компьютерную программу?

Этот вопрос восходит к законам механики Ньютона, имея широкие перспективы практического применения в торговле и наших жизнях. Как известно, Марк Твен говорил: «Все жалуются на погоду, но никто с ней ничего не может поделать». Современная цивилизация не может изменить ход одной-единственной грозы. Физики задались вопросом попроще: можем ли мы предсказывать погоду? Можно ли создать компьютерную программу, которая предскажет ход формирования сложных типов погоды на Земле? Это найдет очень широкое практическое применение для всех заинтересованных в погоде — от фермеров, которые хотят знать, когда сеять и когда собирать урожай, до метеорологов, которые хотят знать ход глобального потепления в этом веке.

В принципе, компьютеры могут использовать законы механики Ньютона для вычисления пути молекул, создающих погоду. Это вычисление может быть произведено с практически любой желаемой точностью. Но на практике компьютерные программы чрезвычайно грубы и ненадежны в прогнозировании погоды более чем на несколько дней вперед или около того, в лучшем случае. Для того чтобы составить прогноз погоды, понадобилось бы определить движение каждой молекулы воздуха, а эта задача — нечто, астрономически превосходящее возможности самого мощного компьютера, имеющегося в нашем распоряжении. Кроме того, существует теория хаоса и «эффект бабочки», где даже малейшая вибрация, созданная крылом бабочки, может вызвать эффект ряби, который в ключевые моменты решительно изменит погоду на расстоянии в сотгги миль.

Подводя итоги данной ситуации, математики заявляют, что самой маленькой моделью, способной в точности описать погоду, является сама погода. Вместо того чтобы заниматься микроанализом каждой молекулы, лучшее, что мы можем сделать, — это узнать прогноз по-вгды на завтра, а также проследить более масштабные погодные процессы и типы (такие, как парниковый эффект).

Р?так, свести ньютонианский РјРёСЂ Рє компьютерной программе представляется чрезвычайно сложным, поскольку существует слишком РјРЅРѕРіРѕ переменных Рё слишком РјРЅРѕРіРѕ «бабочек». РќРѕ РІ квантовом РјРёСЂРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ странные вещи.

Как РјС‹ видели, Бекенштейн показал, что общая СЃСѓРјРјР° информационного содержимого черной дыры пропорциональна площади поверхности ее горизонта событий. Это чувствуется РЅР° СѓСЂРѕРІРЅРµ интуиции. РњРЅРѕРіРёРµ физики считают, что минимальным возможным расстоянием является длина Планка, 10"³³ СЃРј. РџСЂРё таком невероятно малом расстоянии пространство-время уже РЅРµ гладкое, РѕРЅРѕ становится «пузыристым», похожим РЅР° пену, состоящую РёР· крошечных пузырьков. РњС‹ можем разделить РІСЃСЋ сферическую поверхность горизонта событий РЅР° маленькие квадратики, каждый РёР· которых будет размером СЃ длину Планка. Если каждый РёР· этих квадратиков несет РІ себе РѕРґРёРЅ Р±РёС‚ информации, то сложив РІСЃРµ эти квадратики, РјС‹ приблизительно определим полное информационное содержимое данной черной дыры. Р’РёРґРёРјРѕ, это указывает РЅР° то, что каждый РёР· таких «квадратов Планка» является минимальной единицей информации. Если это верно, то тогда, как утверждает Бекенштейн, скорее всего информация, Р° РЅРµ теория поля является истинным языком физики. РћРЅ РіРѕРІРѕСЂРёС‚ так: «Теория поля СЃ ее бесконечностью РЅРµ может быть окончательным вариантом».

Еще со времен Майкла Фарадея в девятнадцатом веке вся физика формулировалась на языке полей, гладких и протяженных, которые измеряют силу магнетизма, электричества, гравитации и так далее в любой точке пространства-времени. Но теория поля основана на протяженных структурах, а не оцифрованных. Поле может иметь любое значение, в то время как оцифрованность уже сводит все к дискретным числам, состоящим из нулей и единиц. Это такое же различие, как между гладким пластом резины из теории Эйнштейна и мелкой проволочной сеткой. Резиновый пласт можно поделить на бесконечное количество точек, в то время как в проволочной сетке есть минимальное расстояние — длина ячейки.

Бекенштейн предполагает, что «конечная теория должна заниматься уже не полями и даже не пространством-временем, а скорее обменом информации между физическими процессами».

Если Вселенную можно оцифровать Рё свести Рє нулям Рё единицам, то каково же суммарное информационное содержимое Вселенной? РџРѕ оценке Бекенштейна, черная дыра диаметром около сантиметра могла Р±С‹ содержать 10⁶⁶ Р±РёС‚ информации. Раз объект размером РІ сантиметр может нести РІ себе так РјРЅРѕРіРѕ информации, то, РїРѕ оценке

Бекенштейна, РІСЃСЏ видимая Вселенная должна содержать ее намного большее количество — РЅРµ меньше 10¹⁰⁰ Р±РёС‚ информации (которую РІ принципе можно сжать РІ сферу размером РІ РѕРґРЅСѓ десятую светового РіРѕРґР° РІ поперечнике. Такое колоссальное число, единица, Р·Р° которой следует сто нулей, РЅРѕСЃРёС‚ название РіСѓРіРѕР», или google.).

Если такая картина верна, то РјС‹ имеем дело СЃРѕ странной ситуацией. РћРЅР° может указывать РЅР° то, что РІ то время, как ныотонианский РјРёСЂ РЅРµ может быть смоделирован РїСЂРё помощи компьютеров (или моожет быть смоделирован только системой столь же большой, как Рё РѕРЅ сам), РІ квантовом РјРёСЂРµ, возможно, саму Вселенную можно загнать РЅР° компакт-РґРёСЃРє! Теоретически, если РјС‹ можем поместить 10¹⁰⁰ Р±РёС‚ информации РЅР° компакт-РґРёСЃРє, то РјС‹ можем наблюдать Р·Р° тем, как любое событие нашей Вселенной разворачивается Сѓ нас РІ гостиной. Р’ принципе, можно было Р±С‹ организовать или перепрограммировать биты информации РЅР° этом компакт-РґРёСЃРєРµ таким образом, чтобы физическая реальность была РёРЅРѕР№. Р’ каком-то смысле Сѓ человека появится богоподобная способность переписать весь сценарий.

(Бекенштейн также признает, что все информационное содержимое Вселенной может быть и намного большим. В сущности, наименьшим объемом, в котором может содержаться информация Вселенной, может оказаться объем самой Вселенной. Если это верно, то мы возвращаемся к тому, с чего начали: наименьшей системой, которая может служить моделью Вселенной, является сама Вселенная.)

Однако струнная теория предлагает несколько РёРЅСѓСЋ интерпретацию «наименьшего расстояния», Р° также того, сможем ли РјС‹ оцифровать Вселенную Рё записать ее РЅР° РґРёСЃРє. Рњ-теория обладает Рў-дуальностью. Р’СЃРїРѕРјРЅРёРј Рѕ том, что греческий философ Зенон считал, что линию можно разделить РЅР° бесконечное количество точек, без РІСЃСЏРєРѕРіРѕ ограничения. Сегодня такие квантовые физики, как Бекенштейн, считают, что наименьшим расстоянием может быть длина Планка — 10~³³ СЃРј. РџСЂРё таком расстоянии материя пространства-времени становится пенистой Рё пузыристой. РќРѕ Рњ-теория представляет эту картину РІ РЅРѕРІРѕРј свете. Предположим, РјС‹ возьмем струнную теорию Рё свернем РѕРґРЅРѕ измерение РІ окружность СЃ радиусом R. Затем возьмем еще РѕРґРЅСѓ струнную теорию Рё свернем РѕРґРЅРѕ измерение РІ окружность СЃ радиусом 1/R. РџСЂРё сравнении этих РґРІСѓС… довольно сильно отличающихся РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР° теорий РјС‹ обнаружим, что РѕРЅРё совершенно одинаковы.

Теперь предположим, что радиус R чрезвычайно мал, намного меньше длины Планка. Это означает, что физика при расстояниях, меньших, чем длина Планка, идентична физике при расстояниях, превышающих длину Планка. При длине Планка пространство-время может стать комковатым и пенистым; однако физика при расстояниях, меньших, чем длина Планка, и физика на очень больших расстояниях могут быть гладкими и, в сущности, являются идентичными.

Эта дуальность была впервые обнаружена РІ 1984 РіРѕРґСѓ РјРѕРёРј коллегой Кейджи Киккавой Рё его учеником Масами Юмасаки РёР· Университета Осаки. Хотя струнная теория наглядно показывает, что существует «наименьшее расстояние», длина Планка, физика РЅРµ заканчивается внезапно РїСЂРё достижении длины 10~³³ СЃРј. Новым светом, пролитым Рњ-теорией РЅР° этот РІРѕРїСЂРѕСЃ, является то, что физика РїСЂРё расстояниях, меньших длины Планка, эквивалентна физике РїСЂРё расстояниях, превышающих длину Планка.

Если интерпретация «шиворот-навыворот» верна, то это означает, что даже РІ пределах «наименьшего расстояния» РІ струнной теории может существовать целая вселенная. Р?ными словами, РјС‹ РІСЃРµ еще можем использовать теорию поля СЃ ее протяженными (РЅРµ оцифрованными) структурами для описания вселенной даже РїСЂРё расстояниях, намного меньших, чем длина Планка. Так что, возможно, вселенная — это РІРѕРІСЃРµ РЅРµ компьютерная программа. Р’ любом случае, поскольку проблема четко обозначена, РІСЃРµ решит время.

(Эта Т-дуальность является подтверждением упоминавшегося мною ранее сценария Венециано о событиях до Большого Взрыва. В этой модели черная дыра схлопывается до размеров длины Планка, а затем снова разлетается в Большом Взрыве. Этот «взрыв» не является внезапным событием, он представляет собой плавную Т-дуальность между черной дырой размером меньше длины Планка и расширяющейся вселенной, большей, чем длина Планка.) Конец?

Если М-теория окажется верной, если она и в самом деле окажется теорией всего, то станет ли это концом той физики, что нам известна?

Ответом на этот вопрос будет «нет». Разрешите привести пример. Даже если нам известны правила игры в шахматы, это не превратит нас автоматически в великого мастера. Подобным образом и знание законов вселенной не означает, что мы великие мастера в вопросах понимания богатого разнообразия ее решений.

Лично я считаю, что, быть может, еще преждевременно применять М-теорию к космологии, хотя такой подход и представляет нам поразительную картину того, как могла зародиться вселенная. По моему мнению, основной проблемой является то, что эта модель не нашла своей окончательной формы. М-теория вполне может быть теорией всего, но я считаю, что до ее завершения еще очень далеко. Эта теория развивается в обратном направлении к 1968 году (возможно, и далее), и ее окончательные уравнения все еще не найдены. (К примеру, струнную теорию можно сформулировать через струнную теорию поля, как показали Киккава и я несколько лет назад. Для М-теории эквивалент таких уравнений до сих пор неизвестен.)

Перед М-теорией стоит несколько проблем. Одной из них является то, что сейчас физики утопают в ^А-бранах. Был написан ряд работ, в которых производились попытки каталогизации потрясающего количества мембран, которые могут существовать в различных измерениях. Существуют мембраны в форме пончика с одной дыркой, пончика со множеством дырок, перекрещивающиеся мембраны и так далее.

Это напоминает известную басню Рѕ том, как три слепых мудреца встретили слона. Ощупывая его СЃ разных сторон, РІСЃРµ трое выдвигают различные теории. РћРґРёРЅ мудрец, беря слона Р·Р° С…РІРѕСЃС‚, РіРѕРІРѕСЂРёС‚, что слюн — это РѕРґРЅРѕ-брана (струна). Другой мудрец, ощупывая слоновье СѓС…Рѕ, РіРѕРІРѕСЂРёС‚, что слон — это РґРІСѓ-брана (мембрана). Р? наконец, третий РіРѕРІРѕСЂРёС‚, что РґРІРѕРµ первых ошибаются. Ощупывая РЅРѕРіРё слона, похожие РЅР° стволы деревьев, третий мудрец РіРѕРІРѕСЂРёС‚, что РІ действительности слон — это три-брана. Поскольку мудрецы слепы, РѕРЅРё РЅРµ РјРѕРіСѓС‚ охватить РІСЃСЋ картину, РЅРµ РјРѕРіСѓС‚ увидеть то, что общая СЃСѓРјРјР° РѕРґРЅРѕ-браньг, РґРІСѓ-браньг Рё три-браньг представляет СЃРѕР±РѕР№ РЅРµ что РёРЅРѕРµ, как единое животное — слона.

Аналогично, с трудом верится, что сотни мембран, обнаруженных в М-теории, каким-то образом фундаментальны. В настоящее время мы не обладаем целостным пониманием М-теории. Моя собственная точка зрения, согласно которой я проводил исследования, состоит в том, что эти мембраны и струны представляют собой «конденсацию» пространства. Эйнштейн пытался описать вещество в чисто геометрических терминах, как какой-то излом в материи пространства-времени. Если взять, к примеру, простыню, на которой появляется складка, то складка ведет себя так, будто живет своей собственной жизнью. Эйнштейн пытался смоделировать электрон и другие элементарные частицы как некое нарушение геометрии пространства-времени. Хотя в конечном счете он потерпел неудачу, эта идея может возродиться на гораздо более высоком уровне в М-теории.

Я считаю, что Эйнштейн шел по верному следу. Его идея состояла в том, чтобы сгенерировать субатомные частицы посредством геометрии. Вместо того чтобы пытаться найти геометрический аналог точечных частиц, в чем и заключалась стратегия Эйнштейна, можно было бы попытаться пересмотреть ее и попытаться сконструировать геометрический аналог струн и мембран, состоящих из чистого пространства-времени.

Один из способов проследить логику в таком подходе состоит в том, чтобы взглянуть на физику с исторической точки зрения. В прошлом каждый раз, как физики сталкивались с целым спектром объектов, было понятно, что в основе лежало нечто фундаментальное. Например, когда мы открыли спектральные линии, испускаемые водородом, мы в конце концов поняли, что они происходили из атома, из квантовых скачков, совершаемых электроном при его вращении вокруг ядра. Подобным образом, столкнувшись с изобилием сильных частиц в 1950-е годы, физики в конце концов поняли, что они являлись не чем иным, как связанными состояниями кварков. А теперь, столкнувшись с изобилием кварков и других «элементарных» частиц Стандартной модели, большинство физиков считает, что они происходят из вибраций струны.

В М-теории мы сталкиваемся с изобилиемр-бран всехтипов и разновидностей. Трудно поверить, что они могут быть фундаментальны, поскольку р-бран слишком много, а во-вторых, они неустойчивы и противоречивы. Более простой вариант решения, согласующийся с историческим подходом, состоит в том, чтобы предположить, что

М-теория происходит из более простой парадигмы — возможно, из самой геометрии.

Для того чтобы разрешить этот фундаментальный вопрос, нам необходимо узнать, какой физический принцип лежит в основе всей теории, а не просто записать ее таинственные математические формулы. Как говорит физик Брайан Грин:

В настоящее время ученые, занимающиеся теорией струн, находятся в том же положении, что и Эйнштейн, будь он лишен принципа эквивалентности. Со времен проницательной догадки Венециано в 1968 году теория собиралась учеными по кусочкам, открытие за открытием, испытывая один революционный переворот за другим. Но до сих пор отсутствует центральный организующий принцип, который охватил бы все эти открытия и характеристики этой теории в пределах сводной и систематической структуры — такой структуры, которая делает существование каждого отдельного ингредиента абсолютно неизбежным. Открытие этого принципа стало бы поворотным моментом в развитии струнной теории, поскольку оно бы обнаружило внутренние механизмы этой теории с беспрецедентной ясностью.

Открытие этого основополагающего принципа также разъяснит миллионы решений, на данный момент найденных для струнной теории. Каждое из этих решений представляет собой абсолютно непротиворечивую вселенную. В прошлом считалось, что из целого леса решений правильным для струнной теории является лишь одно. Сегодня наши представления меняются. До сих пор нельзя выбрать одну вселенную из миллионов сконструированных на сегодняшний день. Все более утверждается мнение о том, что если мы не можем найти уникального, единственного решения струнной теории, то, возможно, причиной тому является факт его отсутствия. Все решения равноценны. Существует Мультивселенная вселенных, каждая из которых отвечает всем законам физики. Это, в свою очередь, приводит нас к тому, что называется антропным принципом, и к возможности того, что наша вселенная «спроектирована».

ГЛАВА 8

Спроектированная вселенная?

За вечность, должно быть, было перепорчено огромное количество вселенных, до того, как оформилась эта система; было потрачено впустую много сил, сделано много бесплодных попыток, а процесс медленного, но непрерывного совершенствования в искусстве мироздания продолжался на протяжении бесконечных эпох.

Дэвид Юм

Тогда я учился во втором классе, моя учительница мимоходом обронила замечание, которое я не забуду никогда. Она сказала: «Бог так любил Землю, что Он расположил ее как раз на том расстоянии от Солнца, которое нужно». В мои шесть лет меня поразила простота и сила этого аргумента. Если бы Бог расположил Землю слишком далеко от Солнца, то все океаны замерзли бы. Если бы он расположил Землю слишком близко, то все они выкипели бы. Для учительницы это не только служило доказательством того, что Бог существует, но и означало, что Он также благожелателен, раз он так любил Землю, что расположил ее именно на том расстоянии от Солнца, которое нужно. Это произвело на меня глубокое впечатление.

Сегодня ученые говорят, что Земля существует в «зоне обитания», как раз на таком расстоянии, чтобы было возможным существование воды, «универсального растворителя», создающего химические вещества, необходимые для жизни. Если бы Земля находилась дальше от Солнца, она могла бы стать похожей на Марс, «замерзшую пустыню», где низкие температуры создали твердую голую поверхность, на которой вода и даже углекислый газ часто замерзают до твердого состояния. Даже под поверхностью Марса находится вечная мерзлота, постоянный слой замерзшей воды. Если бы Земля находилась ближе к Солнцу, то она могла бы стать похожей на Венеру, размеры которой почти совпадают с размерами Земли. Венера известна как «планета парникового эффекта». Поскольку эта планета находится так близко к Солнцу, а атмосфера ее состоит из углекислого газа, энергия солнечного света захватывается Венерой и температуры взлетают до 500 градусов по Цельсию. Вот почему Венера является самой горячей в среднем планетой Солнечной системы. Дожди серной кислоты, атмосферные давления, в сотни раз превышающие наши, и убийственные температуры превращают Венеру, похоже, в самую адскую планету в Солнечной системе, в основном из-за того, что она находится ближе к Солнцу, чем Земля.

Рассматривая аргумент моей учительницы, ученые Р±С‹ сказали, что РѕРЅ является примером антропного принципа, который гласит, что законы РїСЂРёСЂРѕРґС‹ организованы таким образом, который делает возможным существование жизни Рё сознания. Р’РѕРїСЂРѕСЃ Рѕ том, организованы ли эти законы каким-то проектировщиком или появились благодаря случаю, был предметом РјРЅРѕРіРёС… СЃРїРѕСЂРѕРІ, особенно РІ последние РіРѕРґС‹, поскольку было обнаружено несметное множество «случайностей» или совпадений, которые делают возможным существование жизни Рё сознания. Для некоторых эти данные являются подтверждением существования некоего божества, которое намеренно организовало законы РїСЂРёСЂРѕРґС‹ таким образом, чтобы существование жизни, Р° также наше существование стало возможным. Однако для РґСЂСѓРіРёС… ученых эти данные означают, что РјС‹ являемся побочными продуктами СЂСЏРґР° удачных случайностей. Р?ли, возможно, если верить РІ положения теории инфляции Рё Рњ-теории, существует Мультивселенная вселенных.

Чтобы правильно оценить сложность этих споров, сначала рассмотрим те совпадения, которые делают возможным существование жизни на Земле. Мы не просто живем в солнечной зоне обитания, мы также живем в ряде других зон обитания. Например, Луна имеет как раз такие размеры, которые необходимы для стабилизации орбиты

Земли. Если бы Луна была намного меньше, то даже малейшие нарушения вращения Земли постепенно накапливались бы в течение сотен миллионов лет. Это вызвало бы раскачивание Земли на своей орбите, чреватое катастрофой, а также создало бы разительные изменения в климате, которые сделали бы жизнь на Земле невозможной. Компьютерные программы показывают, что без большой Луны (около трети размера Земли) земная ось за миллионы лет могла бы сместиться на целых 90 градусов. Поскольку ученые считают, что для создания ДНК потребовались сотни миллионов лет климатической стабильности, то периодические отклонения Земли от ее оси вызвали бы катастрофические изменения погодных условий, что сделало бы создание ДНК невозможным. К счастью, Луна имеет как раз подходящий размер для того, чтобы стабилизировать земную орбиту, так что такая катастрофа не произойдет. (Луны Марса недостаточно велики, чтобы стабилизировать его вращение. В результате этого Марс начинает медленно вступать в следующую эпоху нестабильности. Астрономы считают, что в прошлом Марс мог отклоняться от своей оси на целых 45 градусов.)

Благодаря малым приливным силам Луна медленно отодвигается от Земли со скоростью приблизительно 4 см в год. Примерно через 2 миллиарда лет она окажется слишком далеко, чтобы стабилизировать вращение Земли. Это может иметь катастрофические последствия для жизни на Земле. Спустя миллиарды лет не только Луны не будет в ночном небе — мы можем увидеть совершенно другой набор созвездий, когда Земля будет скакать на своей орбите. Погода на Земле станет неузнаваемой, что сделает невозможным существование жизни.

Геолог Питер Уорд и астроном Дональд Браунли из Университета Вашингтона написали: «Без Луны в мире не было бы ни лунного света, ни месяца, ни программы «Аполлон», было бы меньше поэзии, а каждая ночь была бы темной и безрадостной. Вполне вероятно, что без Луны не было бы птиц, секвой, китов, трилобитов, да и другие развитые формы жизни не украшали бы нашу Землю».

Подобным образом компьютерные модели нашей Солнечной системы показывают, что и присутствие Юпитера в нашей Солнечной системе является благоприятным для жизни на Земле, поскольку невероятно сильное гравитационное притяжение Юпитера помогает отбрасывать астероиды в открытый космос. Понадобился почти миллиард лет в «эпоху метеоров», закончившуюся около 3,5 млрд лет назад, чтобы «очистить» Солнечную систему от обломков астероидов и комет, оставшихся после ее формирования. Если бы Юпитер был намного меньше, а его притяжение намного слабее, то в нашей Солнечной системе было бы полно астероидов, которые сделали бы жизнь на Земле невозможной. Они бы падали в океаны и уничтожали всякую жизнь. Отсюда мы видим, что Юпитер тоже как раз нужного размера.

Мы также живем в зоне подходящих планетарных масс. Если бы Земля была чуть меньше, то ее гравитационное притяжение было бы настолько слабым, что она не могла бы удерживать кислород. Если бы Земля была слишком большой, то она сохранила бы многие из начальных ядовитых газов, что сделало бы невозможной жизнь на Земле. Масса Земли как раз такова, как нужно, чтобы поддерживать необходимый для жизни атмосферный состав.

Мы также живем в зоне подходящих планетарных орбит. Что примечательно, орбиты всех остальных планет, кроме Плутона, являются почти правильными окружностями, что делает столкновения планет в Солнечной системе практически невозможными. Это означает, что Земля не подойдет близко ни к одному из газовых гигантов, гравитация которых легко нарушила бы орбиту Земли. Это опять-таки благоприятное обстоятельство для жизни, которой необходимы сотни миллионов лет стабильности.

Земля также существует в зоне обитания Галактики Млечный Путь, находясь от ее центра на расстоянии двух третей диаметра. Если бы Солнечная система располагалась слишком близко к центру Галактики, где таятся черные дыры, то поле излучения было бы столь сильным, что жизнь была бы невозможна. А если бы Солнечная система находилась слишком далеко от центра Галактики, то существовало бы недостаточно тяжелых элементов, чтобы создать необходимые компоненты жизни.

Ученые приводят множество примеров того, что Земля находится в мириаде зон обитания. Астрономы Уорд и Браунли утверждают, что мы живем в границах такого узкого диапазона многих параметров или зон обитания, что, возможно, разумная жизнь на Земле — действительно уникальное явление для нашей Галактики, а возможно, даже для всей Вселенной. Они приводят впечатляющий список тех моментов, которые удивительным образом делают возможной разумную жизнь на Земле, а именно, что на Земле «как раз» необходимое количество океанов, «какраз» требуемая тектоника плит, содержание кислорода, теплосодержание, наклон оси и так далее. Если бы Земля лежала хотя бы вне одного из этих диапазонов, мы бы с вами не обсуждали этот вопрос.

Так была ли Земля расположена на пересечении этих зон обитания потому, что Бог любил ее? Возможно. Однако мы можем прийти к выводу, который не предполагает участие божества. Возможно, в космосе существуют миллионы мертвых планет, которые действительно находятся слишком близко к своим солнцам, чьи Луны слишком малы, чьи Юпитеры слишком малы, или которые находятся слишком близко к центру их галактик. Что касается Земли, существование зоны обитания не обязательно означает, что Бог даровал нам особое благословение; возможно, это просто совпадение, один редкий пример среди миллионов мертвых планет в космосе, которые лежат за пределами зон обитания.

Греческий философ Демокрит, который выдвинул гипотезу Рѕ существовании атомов, писал: «Существуют РјРёСЂС‹, бесконечные РІ своем количестве Рё разнообразные РїРѕ размерам. Р’ некоторых РёР· РЅРёС… нет РЅРё Солнца, РЅРё Луны. Р’ РґСЂСѓРіРёС… больше РѕРґРЅРѕРіРѕ Солнца Рё Луны. Расстояния между мирами неодинаковы, РІ некоторых направлениях РёС… больше… Р?С… разрушение РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РёР·-Р·Р° столкновений между СЃРѕР±РѕР№. Некоторые РјРёСЂС‹ лишены животной Рё растительной жизни Рё РІСЃСЏРєРѕР№ влаги».

В сущности, к 2002 году астрономы открыли сотню экстрасолнечных планет, вращающихся по орбитам других звезд. Ученые открывают их приблизительно каждые две недели. Поскольку такие планеты не испускают собственного света, астрономы вычисляют их при помощи разнообразных средств непрямого наблюдения, наиболее надежным из которых являются поиски раскачивающейся основной звезды: она раскачивается вперед-назад по мере того, как планета размером с Юпитер вращается вокруг нее. Путем анализа доппле-ровского смещения света, испускаемого раскачивающейся звездой, можно вычислить, насколько быстро она движется, и применить законы Ньютона для вычисления массы ее планеты.

«Можно представить звезду Рё большую планету как партнеров, кружащихся РІ танце, держась Р·Р° вытянутые СЂСѓРєРё. Планета меньших размеров СЃ внешней стороны РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ большие расстояния РїРѕ большей окружности, РІ то время как звезда-партнер перемещается маленькими шажками РїРѕ очень малой окружности — движение РїРѕ очень маленькой внутренней окружности Рё является тем «раскачиванием», которое РјС‹ наблюдаем РІ этих звездах», — РіРѕРІРѕСЂРёС‚ РљСЂРёСЃ Маккарти РёР· Р?нститута Карнеги. Сегодня такие наблюдения настолько точны, что РјС‹ можем определить очень малые изменения РІ скорости (РґРѕ трех метров РІ секунду — скорость быстрой С…РѕРґСЊР±С‹) РІ звезде РЅР° расстоянии сотен световых лет РѕС‚ нас.

Предлагаются и другие, более передовые методы обнаружения еще большего количества планет. Один из них — это поиски планеты в тот момент, когда она затмевает свою материнскую звезду, что ведет к некоторому снижению ее яркости. В течение 15–20 лет НАСАзапу-стит на орбиту свой интерферометрический космический спутник, который сможет обнаружить в открытом космосе планеты меньшего размера, сходные с Землей. (Поскольку яркость материнской звезды затмит планету, спутник будет использовать интерференцию света, чтобы обнулить яркое свечение материнской звезды и открыть нашим глазам землеподобную планету.)

До настоящего времени ни одна из обнаруженных нами экстрасолнечных планет размером с Юпитер не имеет сходства с Землей, и все они, по всей вероятности, мертвы. Орбиты обнаруженных астрономами планет либо очень вытянуты, эксцентричны, либо проходят в непосредственной близости к материнской звезде; в обоих случаях существование в подобной зоне обитания планеты, похожей на Землю, было бы невозможным. В этих солнечных системах планета размером с Юпитер пересекала бы зону обитания, отшвыривая любую меньшую планету размером с Землю в открытый космос, что препятствовало бы формированию известной нам жизни.

Слишком вытянутые орбиты — обычное для космоса явление, настолько обычное, что в сущности, когда астрономы в 2003 году открыли «нормальную» солнечную систему, это событие попало на первые полосы. Астрономы Соединенных Штатов и Австралии с таким же восторгом объявили об открытии планеты размером с Юпитер, вращающейся вокруг звезды HD 70642. Необычность этой планеты (размеры которой вдвое превышают размеры Юпитера) состоит в том, что она вращается по орбите, имеющей форму окружности, при этом расстояние до ее солнца приблизительно соответствует расстоянию Юпитера до нашего Солнца.

Однако РІ будущем астрономы должны каталогизировать РІСЃРµ близлежащие звезды, отнеся РёС… Рє потенциальным солнечным системам. «Наша работа заключается РІ том, чтобы создать каталог всех РґРІСѓС… тысяч ближайших наблюдаемых солнцеподобных звезд, которые находятся РЅР° расстоянии РґРѕ 150 световых лет РѕС‚ нас, — РіРѕРІРѕСЂРёС‚ РџРѕР» Батлер РёР· Р?нститута Карнеги РІ Вашингтоне, участвовавший РІ открытии первой экстрасолнечной планеты РІ 1995 РіРѕРґСѓ. — РњС‹ преследуем РґРІРѕР№РЅСѓСЋ цель: провести исследование Рё составить первую перепись наших ближайших соседей РїРѕ РєРѕСЃРјРѕСЃСѓ, Р° также собрать первые данные для того, чтобы обратиться Рє фундаментальному РІРѕРїСЂРѕСЃСѓ Рѕ том, насколько обычным или редким феноменом является наша Солнечная система». Космические случайности

Чтобы создать жизнь, наша планета должна была находиться в относительной стабильности в течение сотен миллионов лет. Но удивительно сложно создать мир, который был бы стабилен на протяжении такого времени.

Начнем с того, как образованы атомы, — с того факта, что протон чуть легче нейтрона. Это означает, что если бы протон был всего лишь на один процент тяжелее, он бы распался до нейтрона, все ядра стали бы неустойчивыми и расщепились бы. Атомы бы разлетелись в стороны, что сделало бы жизнь невозможной.

Еще одна случайность, которая делает возможной жизнь на Земле, — это тот факт, что протон устойчив и не распадается с образованием позитрона. Эксперименты показали, что срок жизни протона поистине астрономически велик: он больше срока жизни вселенной. Для того чтобы создать устойчивую ДНК, протоны должны оставаться устойчивыми на протяжении как минимум сотен миллионов лет.

Если бы сильное ядерное взаимодействие было чуть слабее, то такие ядра, как ядра дейтерия, разлетелись бы в стороны и ни один из элементов вселенной нельзя было бы построить внутри звезд путем нуклеосинтеза. Если бы сильное ядерное взаимодействие было чуть сильнее, то звезды сожгли бы свое ядерное топливо слишком быстро и жизнь не смогла бы развиться.

Если мы изменим силу слабого ядерного взаимодействия, то обна-режим, что жизнь опять-таки невозможна. Нейтрино, действующие через слабое ядерное взаимодействие, необходимы для того, чтобы уносить энергию из взрывающихся сверхновых. Эта энергия, в свою очередь, отвечает за создание элементов выше железа. Если бы слабое ядерное взаимодействие было чуть слабее, нейтрино вряд ли бы вообще смогли взаимодействовать, что означает, что сверхновые не смогли бы создать элементы выше железа. Если бы слабое взаимодействие было чуть сильнее, то нейтрино не могли бы покинуть звездное ядро, что опять-таки воспрепятствовало бы созданию высших элементов, из которых состоят наши тела и весь мир.

В сущности, ученые составили длинные списки таких «удачных космических случайностей». Видя этот внушительный список, с удивлением обнаруживаешь, как много знакомых констант вселенной находятся в очень узком диапазоне, в пределах которого возможна жизнь на Земле. Если изменить всего лишь одну из этих случайностей, звезды никогда бы не образовались, вселенная разлетелась бы в стороны, ДНК не существовала бы, известная нам жизнь была бы невозможной, Земля бы перевернулась или замерзла, и так далее.

0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|