Физика невозможного

Кое-кто задается еще и таким вопросом о «невозможности»: разве можем мы узнать окончательную судьбу Вселенной, если это событие отделяют от нас триллионы и триллионы лет? Ученые считают, что темная энергия, или энергия вакуума, расталкивает галактики прочь друг от друга и заставляет их разлетаться со все возрастающей скоростью; похоже, Вселенная пошла вразнос. Расширение должно постепенно понижать температуру во Вселенной и в конце концов привести нас всех к Большому морозу. Но что, если это расширение временное? Возможно ли, что в будущем начнется обратный процесс?

К примеру, Большой всплеск — один из сценариев Большого взрыва, в котором Вселенная возникает при столкновении двух мембран, — предполагает, что мембраны, возможно, сталкиваются периодически. Если это так, то расширение, которое мы наблюдаем в настоящий момент и которое вроде бы должно привести к Большому морозу, — это всего лишь временное состояние, за которым последует обратный процесс.

Нынешнее ускоренное разбегание вселенных вызвано темной энергией, причиной существования которой, вероятно, служит «космологическая константа». Поэтому главное — понять эту загадочную константу, или энергию вакуума. Меняется ли эта константа со временем или она действительно постоянна? В настоящее время никто этого наверняка не знает. Данные спутника WMAP, находящегося в настоящее время на околоземной орбите, свидетельствуют о том, что именно эта космологическая константа вызывает нынешнее ускорение разбегания Вселенной, но мы не знаем, постоянно такое состояние или нет.

На самом деле эта проблема не нова и восходит еще к 1916 г., когда Эйнштейн впервые ввел в свои уравнения космологический член. Предложив годом раньше общую теорию относительности, он тогда разрабатывал ее космологические следствия и обнаружил — к собственному немалому удивлению, — что Вселенная не статична, что она либо расширяется, либо сжимается. Но эта мысль, казалось, противоречила фактическим данным.

Эйнштейн столкнулся с парадоксом Бентли, терзавшим еще Ньютона. В 1692 г. достопочтенный Ричард Бентли написал Ньютону невинное письмо и задал страшный по сути вопрос. Если ньютонова сила тяготения способна только притягивать, спрашивал Бентли, то почему Вселенная не схлопывается? Если Вселенная состоит из конечного числа звезд, которые взаимно притягиваются, то все звезды по идее должны были бы слететься в одно место — и тогда вся Вселенная превратилась бы в один огненный шар! Ньютона это письмо очень расстроило — ведь оно указывало на важнейший недостаток его теории: любая теория тяготения, которая предусматривает только притяжение, по сути своей нестабильна. Любое конечное число звезд неизбежно коллапсирует под действием силы притяжения.

Ньютон написал в ответ, что единственный способ создать стабильную Вселенную, — это считать, что в ней бесконечное число равномерно распределенных звезд; при этом каждую звезду тянут во все стороны, и все силы взаимно компенсируются. Это было неглупое решение, но Ньютон был достаточно умен, чтобы понимать; такая стабильность обманчива. Самые слабые колебания заставят подобную систему развалиться, как карточный домик. Она «метастабильна»; т. е. стабильна до тех пор, пока любое слабое возмущение не вызовет ее коллапса. Ньютон заключил, что без Бога в этом деле не обойтись; именно Бог должен время от времени «подправлять» звезды и ставить их на места, чтобы избежать краха Вселенной.

Другими словами, Вселенная по Ньютону подобна гигантским часам, которые были заведены Богом в начале времен и теперь существуют, подчиняясь законам Ньютона. Будучи раз заведенной, дальше Вселенная живет сама, без божественного вмешательства. Тем не менее, согласно Ньютону, время от времени Бог должен подправлять звезды, чтобы не дать Вселенной схлопнуться в единый огненный шар.

Когда Эйнштейн в 1916 г. наткнулся на парадокс Бентли, уравнения правильно подсказали ему, что Вселенная динамична, она или расширяется, или сжимается; статичная Вселенная нестабильна и должна была бы схлопнуться под действием гравитации. Но астрономы в то время настаивали, что Вселенная статична и неизменна. Поэтому Эйнштейн, склоняясь перед наблюдательными данными астрономии, добавил космологическую константу — силу, противоположную тяготению и расталкивающую звезды прочь друг от друга; эта сила должна была компенсировать силу притяжения и противостоять коллапсу Вселенной. (Эта сила, противоположная гравитации, соответствовала энергии, заключенной в вакууме. Иначе говоря, Эйнштейн допустил, что громадные пустые пространства космоса содержат в себе большое количество невидимой энергии.) Предполагалось, что эту константу, которая должна точно компенсировать силу гравитационного притяжения, следует выбирать очень тщательно.

Позже, в 1929 г., когда Эдвин Хаббл показал, что в действительности Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал космологическую константу своей «величайшей ошибкой». Однако теперь, 70 лет спустя, получается, что «ошибка» Эйнштейна — космологическая константа — может все-таки оказаться крупнейшим источником энергии во Вселенной; в ней заключено 73 % всего вещества и энергии Вселенной. (Напротив, те элементы, из которых строятся наши тела, составляют всего лишь 0,03 % Вселенной.) Очень может быть, что ошибка Эйнштейна определит окончательную судьбу Вселенной.

Но откуда взялась космологическая константа? В настоящее время этого никто не знает. В начале времени сила антитяготения была, возможно, достаточно велика, чтобы заставить Вселенную раздуваться и вызвать таким образом Большой взрыв. Затем она по неизвестным причинам внезапно исчезла. (В этот период Вселенная продолжала расширяться, но медленнее.) А затем, примерно через 8 млрд лет после Большого взрыва, сила антитяготения вновь проявила себя; она начала расталкивать галактики и снова ускорила разбегание Вселенной.

Итак, действительно ли «невозможно» определить окончательную судьбу Вселенной? Или все же возможно? Большинство ученых считает, что размер космологической константы определяется в конечном итоге квантовыми эффектами. Но простейший расчет по упрощенной версии квантовой теории показывает, что теоретическое значение космологической константы отличается от реального в 10¹²⁰ раз. Безусловно, это величайшая нестыковка в истории науки.

Но физики также сходятся во мнении о том, что эта странность просто означает, что нам не хватает теории квантовой гравитации. Поскольку космологическая константа возникает из квантовых поправок, необходимо построить «теорию всего» — теорию, которая позволит нам рассчитать не только Стандартную модель, но и размер космологической константы, которая определит окончательную судьбу Вселенной.

Таким образом, при определении окончательной судьбы Вселенной нам не обойтись без теории всего. Ирония ситуации заключается в том, что некоторые физики считают, что разработать такую теорию невозможно.

Теория всего?

Как я уже упоминал, лучшим кандидатом на роль теории всего является сегодня теория струн; но у этой точки зрения есть и противники, считающие, что теория струн не оправдывает ожиданий. С одной стороны, такой ученый, как профессор MIT Макс Тегмарк, пишет: «Я думаю, что в 2056 г. уже можно будет купить футболку с формулами, описывающими унифицированные физические законы нашей Вселенной». С другой стороны, в настоящий момент формируется группа решительных критиков, которые утверждают, что теории струн еще предстоит многое доказать. Не важно, сколько появилось по ее поводу восторженных статей или документальных телефильмов; некоторые говорят, что теория струн пока не дала ни одного факта, который можно было бы проверить. Споры по этому поводу разгорелись с новой силой в 2002 г., когда Стивен Хокинг перешел в другой лагерь и, ссылаясь на теорему о неполноте, заявил, что теория всего вполне может оказаться даже математически невозможной.

Неудивительно, что жаркие споры вынудили одних физиков пойти против других физиков — ведь цель так благородна, хотя и ускользает с завидным постоянством. Стремление объединить все законы природы тысячелетиями дразнило и манило в равной степени и философов, и физиков. Сам Сократ однажды сказал: «Мне это представлялось наивысшим — знать объяснение всего, почему это появляется, почему гибнет, почему существует».

Первое серьезное предположение, имеющее отношение к теории всего, было выдвинуто около 500 г. до н. э.; считается, что примерно в это время греки-пифагорейцы разгадали математические законы музыки. Проанализировав узлы и колебания лирной струны, они сумели показать, что музыка подчиняется замечательно простым математическим правилам. Затем появились рассуждения о том, что, может быть, гармониями лирной струны можно объяснить все в природе. (В каком-то смысле современная теория струн возродила к жизни мечту пифагорейцев!)

Можно смело сказать, что уже в наше время чуть ли не все гиганты физики XX в. пробовали свои силы в разработке единой теории поля. Но, как предостерегает Фримен Дайсон, «поле боя физической науки сплошь усыпано трупами унифицированных теорий».

В 1928 г. газета New York Times вышла с сенсационным заголовком: «Эйнштейн на пороге великого открытия; злится на непрошеное вторжение». Помещенная под ним заметка привела средства массовой информации в неистовство, возбудила вокруг теории всего журналистскую суматоху и довела напряжение в обществе до критической точки. Заголовки кричали: «Эйнштейн поражен суматохой вокруг новой теории! Держит 100 журналистов в напряжении целую неделю!» Десятки журналистов буквально роились вокруг его дома в Берлине и несли круглосуточную вахту, мечтая увидеть гения хотя бы краешком глаза и дать материал позабористее. Эйнштейн вынужден был скрываться.