Жизнь, галактики и фундаментальные числа природы

 

Даже небольшие отклонения от настоящих значений большинства фундаментальных констант в природе сделают жизнь в привычном нам виде невозможной. Увеличьте гравитационную постоянную, звёзды начнут сгорать быстрее и жизнь на близлежащих планетах не будет успевать развиваться. Уменьшите её, и галактики распадутся на части. Усильте электромагнитное взаимодействие, и атомы водорода будут отталкиваться друг от друга слишком сильно, чтобы образовывать устойчивые соединения, и это лишит звёзды необходимого топлива.72 Но как быть с космологической постоянной? Зависит ли существование жизни от её значения? Именно этот вопрос поднял Стивен Вайнберг в своей статье 1987 года.

Понимая, что зарождение жизни является сложным процессом, о котором мы мало что понимаем, Вайнберг решил, что безнадёжно пытаться выяснять, каким образом то или иное значение космологической постоянной напрямую влияет на мириады явлений, вдыхающих жизнь в мёртвую материю. Однако Вайнберг не отступил от цели, а нашёл хитроумного посредника для задачи о зарождении жизни — зарождение галактик. Без галактик, рассуждал он, образование звёзд и планет станет сомнительным и не оставит никакого шанса на зарождение жизни. Такой подход к проблеме не только в высшей степени разумен, но ещё и полезен: он переносит акцент на рассмотрение того, как разные значения космологической постоянной влияют на процесс образования галактик, а эту задачу можно уже попытаться решить.

Суть физического процесса элементарна. Хотя точные детали образования галактик являются отдельной областью активных исследований, в общих чертах процесс напоминает эффект снежного кома в астрономических масштабах. Как только где-то возникает сгусток вещества, то в силу своей повышенной плотности он оказывает большее гравитационное притяжение на находящуюся поблизости материю, в результате чего ком ещё больше увеличивается. Этот процесс всё нарастает и нарастает, и наконец образуется разогретая масса пыли и газа, из которой появляются звёзды и планеты. Идея Вайнберга состояла в том, что если космологическая постоянная будет иметь достаточно большое значение, то она прервёт такой комообразующий процесс. Порождаемое космологической константой гравитационное отталкивание может оказаться достаточно сильным, чтобы прервать процесс зарождения галактик на начальной стадии образования кома, когда он ещё мал и хрупок, так что составляющее его вещество разлетится прежде, чем ком успеет укрупниться, притягивая окружающее вещество.

Вайнберг сделал математические расчёты и обнаружил, что если значение космологической постоянной в несколько сотен раз превысит современную космологическую плотность вещества — несколько протонов на кубический метр, — то процесс образования галактик нарушится. (Вайнберг также рассмотрел случай отрицательной космологической постоянной. Возникающие при этом ограничение ещё сильнее, потому что отрицательное значение приводит к росту гравитационного притяжения и заставляет всю Вселенную схлопнуться прежде, чем звёзды успеют зажечься.) Если теперь представить, что мы являемся частью мультивселенной, в которой значения космологической постоянной изменяются в широком диапазоне от вселенной к вселенной, так же как изменяются и расстояния от планет до их звёзд от одной солнечной системы до другой солнечной системы, — то единственные вселенные, в которых возможны галактики, и, следовательно, единственные вселенные, в которых мы можем жить, это те, где космологическая постоянная принимает значения, не превышающие предел Вайнберга, что составляет примерно 10− 121 в планковских единицах.

На фоне многолетних безуспешных попыток работа Вайнберга стала первой, где были получены теоретические значения для космологической постоянной, не превышающие до абсурдной степени ограничений, накладываемых наблюдательной астрономией. При этом она не противоречила широко распространённому в то время убеждению, что космологическая постоянная равна нулю. Сам Вайнберг не остановился на этом и сделал шаг вперёд, придав этому результату следующую интерпретацию. Он предложил, что мы находимся во вселенной, в которой космологическая постоянная мала настолько, насколько необходимо, чтобы мы смогли существовать, но не значительно меньше. Значительно меньшая константа, рассуждал он, потребует объяснения, выходящего за рамки простого утверждения о согласованности с нашим существованием. Именно такого объяснения, которое всё это время доблестно искала наша физика, но не нашла. Это позволило Вайнбергу предположить, что однажды с помощью более точных измерений будет установлено, что космологическая постоянная не равна нулю, а имеет значение, близкое или пограничное с вычисленным им пределом. Как мы видели, спустя десять лет после появления работы Вайнберга, наблюдения в рамках проекта «Supernova cosmology» и поисковой группы «High-Z Supernova» подтвердили это пророческое предсказание.

Для полного осознания всей нестандартности этого подхода к объяснению давней проблемы рассмотрим более подробно ход рассуждений Вайнберга. Он полагал, что в мультивселенной должно быть так много вселенных, что обязательно должна найтись по крайней мере одна вселенная с наблюдаемым значением космологической постоянной. Но какой должна быть мультивселенная, чтобы это произошло наверняка или с высокой степенью вероятности?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим сперва аналогичную проблему, но с более простыми и понятными числами. Представьте, что вы работаете на известного кинопродюсера Харви В. Айнштейна, который попросил вас провести кастинг на исполнителя главной роли в его новом фильме «Криминальное диво». «Какого роста нужен актёр? » — спрашиваете вы. «Без понятия. Выше метра, ниже двух. Но ты должен быть уверен, что какой бы рост я не выбрал, у тебя должен быть подходящий кандидат». Вы только открыли рот, чтобы поправить вашего босса, сказав, что в силу квантовой неопределённости на самом деле нет никакой необходимости иметь исполнителей любого роста, но, вспомнив, что стало с надоедливой говорящей мухой, вы решили, что лучше промолчать.

Теперь вы стоите перед выбором. Сколько актёров нужно привести на просмотр? Вы думаете так: если В. измеряет рост с точностью до сантиметра, то в диапазоне от одного до двух метров есть сто разных вариантов. Поэтому необходимо иметь по крайней мере сто актёров. Но так как некоторые актёры могут оказаться одинакового роста, и тогда какой-то рост не будет представлен, то лучше собрать больше сотни. Чтобы подстраховаться, возможно, следует позвонить нескольким сотням актёров. Это много, но меньше, чем понадобится, если И. начнёт измерять рост с точностью до миллиметра. В этом случае в пределах от одного метра до двух есть тысяча разных вариантов, поэтому будет надёжнее собрать несколько тысяч актёров.

Похожие рассуждения применимы и для вселенных с разными космологическими постоянными. Предположим, что все вселенные в мультивселенной обладают космологическими константами со значениями между нулём и единицей (в обычных планковских единицах); при меньших значениях вселенные будут схлопываться, а при больших значениях применимость наших математических методов будет под вопросом, и понимание ситуации, соответственно, тоже. Итак, подобно актёрам, чья разница в росте варьируется от 0 до 1 (в метрах), космологические постоянные вселенных варьируются от 0 до 1 (в планковских единицах). Если думать о точности измерений, то аналогом того, как В. изменяет рост с помощью сантиметровой или миллиметровой линейки, будет погрешность, с которой мы можем измерить космологическую постоянную. Погрешность современных измерений составляет примерно 10− 124 (в планковских единицах). В будущем, точность измерений конечно же возрастёт, но как мы увидим, это вряд ли повлияет на наши выводы. Тогда подобно тому, как в диапазоне в один метр имеется 102 различных возможных отметок для роста, разделённых между собой интервалом по меньшей мере в 10− 2 метра (1 сантиметр) и 103 различных возможных отметок для роста с интервалом по меньшей мере в 10− 3 метра (1 миллиметр), существует 10124 различных значений космологической постоянной с интервалом 10− 124 в диапазоне значений от 0 до 1.

Чтобы гарантировать реализацию каждого возможного значения космологической постоянной, необходимо иметь мультивселенную, в которой по-меньшей мере 10124 разных вселенных. Но как и в ситуации с актёрами необходимо учитывать возможные повторения — вселенные с одинаковыми значениями космологической постоянной. Чтобы каждое значение космологической постоянной наверняка было реализовано, следует располагать мультивселенной с числом вселенных, гораздо большим, чем 10124, например в миллион раз бо́ льшим, что даст красивую цифру 10130. Я так непринуждённо жонглирую этими числами, потому что они настолько велики, что точное значение вряд ли является важным. Ни один из известных примеров чего-либо, будь то число клеток в человеческом теле (1013), число секунд, прошедших с момента Большого взрыва (1018), число фотонов в наблюдаемой части Вселенной (1088), даже близко не похоже на воображаемое число вселенных. Подводя итог, можно сказать, что подход Вайнберга для объяснения значения космологической постоянной применим, только когда мы являемся частью мультивселенной, содержащей огромное число различных вселенных; их космологические постоянные должны принимать примерно 10124 различных значений. Только в случае такого гигантского количества вселенных существует вероятность, что среди них найдётся одна с нашим значением космологической постоянной.

Здесь возникает вопрос, есть ли теоретические модели, которые естественным образом приводят к такому захватывающему изобилию вселенных с разными космологическими постоянными? 73

 

От недостатка к достоинству

 

Да, есть. Мы уже встречались с такой моделью в предыдущей главе. Подсчёт различных возможных форм дополнительных измерений в теории струн, с учётом пронизывающих их потоков, дал примерно 10500. Это намного больше, чем 10124. Даже умножив 10124 на несколько сот порядков величины, всё равно 10500 будет значительно больше. Вычтем 10124 из 10500, потом ещё раз, и ещё, и так миллиард раз подряд, и всё равно это будет почти незаметно. В результате получится примерно всё то же 10500.

Важно, что космологическая постоянная действительно варьируется от одной такой вселенной к другой. Подобно тому как магнитный поток несёт энергию (и может двигать предметы), потоки внутри дырок в пространствах Калаби–Яу обладают энергией, величина которой очень чувствительна к геометрическим особенностям данного пространства. Если имеются два разных пространства Калаби–Яу с разными потоками, проходящими сквозь разные дырки, то их энергии, как правило, будут отличаться. Поскольку заданное пространство Калаби–Яу прикреплено к каждой точке трёх обычных измерений пространства, подобно петелькам ворса, прикреплённого к большому основанию ковра, энергия, содержащаяся в данном пространстве, будет равномерно заполнять три больших измерения, подобно тому как смачивание индивидуальных волокон в ворсе ковра приведёт к утяжелению всего ковра. Таким образом, какое бы из 10500 различных одетых пространств Калаби–Яу не определяло геометрию дополнительных измерений, энергия, которой оно обладает, даст вклад в космологическую постоянную. Результаты, полученные Рафаэлем Буссо и Джо Польчински, дают количественную оценку этой ситуации. Они показали, что различные космологические постоянные, к которым приводят приблизительно 10500 различных возможных пространств дополнительных измерений, равномерно распределены по широкому диапазону значений.

Как по заказу! Наличие 10500 отметок, распределённых в диапазоне от 0 до 1, гарантирует, что найдётся очень много со значениями, лежащими совсем рядом с теми значениями космологической постоянной, которые астрономы измеряют последние десяток лет. Возможно, что найти точные примеры среди 10500 вариантов не получится, потому что даже самые быстрые современные компьютеры тратят одну секунду на анализ каждой формы дополнительных измерений, так что через миллиард лет будут рассмотрены лишь какие-то жалкие 1023 примеров. Однако это сильные доводы в пользу того, что они существуют.

Конечно, набор из 10500 разных форм дополнительных измерений очень далёк от той единственной вселенной, о которой мы мечтали в теории струн. Тем, кто верит в мечту Эйнштейна о единой теории поля, описывающей единственную вселенную — нашу, — эти рассуждения причиняют сильный дискомфорт. Однако анализ вопроса о космологической постоянной представляет ситуацию в ином свете. Вместо того чтобы отчаиваться из-за того, что, по всей видимости, единственной вселенной не получится, нам следует радоваться: благодаря теории струн самая невероятная часть из объяснения Вайнбергом малости значения космологической постоянной — требование наличия огромного количества разных вселенных, значительно превышающего 10124 — неожиданно становится правдоподобной.

 

Заключительный шаг. Резюме

 

Похоже, что разные части этой захватывающей истории начинают стыковаться воедино. Однако в рассуждениях всё ещё остаётся некоторая брешь. Одно дело, когда из теории струн возникает огромное число различных вселенных. Но совсем другое дело — требовать, чтобы теория струн гарантировано обеспечивала, чтобы все возможные возникающие вселенные действительно существовали где-то там, являясь параллельными мирами внутри гигантской мультивселенной. Наиболее образно эту ситуацию охарактеризовал Леонард Сасскинд, вдохновлённый новаторской работой Шамита Качру, Ренаты Каллош, Андрея Линде и Сандипа Триведи, — если в ткань теории вплести вечную инфляцию, то брешь может затянуться.74

Я сейчас объясню этот заключительный шаг, но если вы уже устали и жаждете финала истории, то это можно сделать в трёх предложениях. Инфляционная мультивселенная — постоянно расширяющийся, похожий на швейцарский сыр, космос — содержит огромное, постоянно увеличивающееся число дочерних вселенных. Идея в том, что если объединить инфляционную космологию с теорией струн, то процесс вечной инфляции орошает 10500 возможных форм дополнительных измерений, возникающих в теории струн, привитых на пузырьки-вселенные, что даёт космологический способ реализации всех возможностей. Согласно этой логике, мы живём в пузырьке с такими дополнительными измерениями, такой космологической постоянной и всем остальным, которые благоприятствуют нашей форме жизни и согласуются с наблюдениями.

В оставшейся части главы я изложу это более подробно, поэтому если вам не терпится поскорее продвинуться дальше, спокойно переходите к последнему разделу.

 

Струнный ландшафт

 

Давайте вспомним аналогию, которую я использовал в главе 3 для объяснения инфляционной космологии. Вершины гор соответствовали наивысшим значениям энергии поля инфлатона в пространстве, а процесс скатывания вниз и достижение положения равновесия в низшей точке у подножия горы соответствовали тому, как инфлатон отдаёт свою энергию, которая при этом процессе преобразуется в частицы вещества и излучение.

А теперь рассмотрим заново три положения из этой аналогии уже с учётом полученных знаний. Во-первых, мы узнали, что инфлатон не единственный источник энергии, способной заполнять пространство; свои вклады дают также квантовые флуктуации всех других полей — электромагнитного, ядерного и так далее. Поэтому в используемой нами аналогии высота горы будет соответствовать совместной энергии от всех источников, однородно заполняющей всё пространство.

Во-вторых, в исходной аналогии высота подножия горы, куда в итоге скатывается инфлатон, считалась «уровнем моря», нулевой высотой, что означало, что инфлатон отдал всю свою энергию (и давление). Но после пересмотра высота подножия горы должна соответствовать совместной энергии от всех источников, заполняющей пространство, после завершения процесса инфляции. Тем самым мы получаем другой способ взглянуть на космологическую постоянную пузырька-вселенной. Таким образом, загадка объяснения нашей космологической постоянной переформулируется в загадку объяснения высоты подножия горы — почему она так близко к уровню моря, но не совпадает с ним?

В-третьих, исходно рассматривался простейший горный рельеф, когда вершина гладко переходит в основание горы, куда в итоге попадает инфлатон (см. рис. 3.1). Затем были учтены другие составляющие (поля Хиггса), эволюция которых и окончательные положения равновесия будут влиять на физические свойства и проявление пузырьков-вселенных (см. рис. 3.5). В теории струн диапазон возможных вселенных становится ещё богаче. Форма дополнительных измерений определяет физические свойства внутри конкретного пузырька-вселенной, поэтому возможные «положения равновесия», показанные как долины на рис. 3.6б, теперь будут соответствовать возможным формам дополнительных измерений. Чтобы разместить 10500 возможных форм для дополнительных измерений горный пейзаж должен быть с размахом дополнен долинами, террасами, обнажениями пород, подобно тому как показано на рис. 6.4. Любое место в горном рельефе, куда может скатиться шарик, соответствует некоторой форме дополнительных измерений; высота этого места определяет космологическую постоянную соответствующего пузырька-вселенной. На рис. 6.4 показано то, что называется струнным ландшафтом.

 

Рис. 6.4. Струнный ландшафт можно схематично рассматривать в виде горного рельефа, в котором разные долины соответствуют разным формам дополнительных измерений, а высота определяет величину космологической постоянной

 

Теперь, с учётом более тонкого понимания нашей аналогии с горным рельефом, или ландшафтом, рассмотрим как квантовые процессы влияют на форму дополнительных измерений. Мы увидим, что квантовая механика озаряет наш горный ландшафт.

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться: