Космос и хаос

Итак, струнные теории разного толка претендуют на непротиворечивое объединение квантовой механики с общей теорией относительности и вроде бы позволяют навсегда избавиться от назойливых сингулярностей с их неудобными бесконечностями. Однако мы уже имели случай удостовериться, что, несмотря на бесспорные плюсы, теория суперструн откровенно пробуксовывает, когда тщится свести все многоцветие мира к одной-единственной фундаментальной сущности – упругой одномерной струне, заплутавшей в многомерном пространстве. Поэтому многие специалисты пытаются отыскать другие варианты обхода сингулярности, предлагая свои собственные сценарии эволюции Вселенной, не связанные с головоломной геометрией. Голь на выдумки хитра, и альтернативных конструкций предложено великое множество, но модель выдающегося британского физика-теоретика Стивена Хокинга, ставящая во главу угла понятие о мнимом времени, заслуживает, на мой взгляд, отдельного разговора. Однако прежде чем толковать о мнимом времени, надо как следует разобраться со временем обыкновенным.

Время – вообще загадочная категория. Испокон веков людей занимал вопрос, что оно собой представляет вблизи – непреложный закон, управляющий движением миров, или же некий психологический кунштюк, посредством которого наше сознание упорядочивает поток поступающих извне ощущений?

Еще совсем недавно – чуть более 100 лет назад – даже большие ученые не сомневались в абсолютности времени. Циферблаты, разбросанные по необозримой Вселенной, всюду показывали один и тот же час. Мироздание рисовалось в виде пустого безразмерного ящика, где величаво кружат планеты и звезды, подчиняясь неумолимым законам небесной механики. Синхронизировать часы, растыканные как попало по закоулкам этого гигантского пузыря, было проще пареной репы – плюнуть и растереть.

Теория относительности не оставила от этих наивных представлений камня на камне, и сегодня мы знаем, что мир устроен много сложнее. Идея абсолютного времени (как, впрочем, и абсолютного пространства) приказала долго жить. Часы двух наблюдателей, находящихся в разных системах отсчета, не обязаны совпадать. Сегодня пространство и время не рассматривают изолированно, а объединяют в универсальный четырехмерный континуум «пространство-время», который, в свою очередь, неотделим от материальных тел, заполняющих Вселенную. Если неким чудесным образом извлечь из мироздания все наполняющие его вещи, всю материю до последней частицы, то пространство и время автоматически прекратят свое существование. Впрочем, проницательные люди понимали это и раньше. Мне уже приходилось цитировать христианского философа Блаженного Августина, который говорил, что мир был сотворен не во времени, а вместе со временем. В своей «Исповеди» он писал:

Австралийский физик-теоретик Пол Девис в книге «О времени» собрал богатую коллекцию афоризмов о природе этой загадочной субстанции – порой ернических, порой откровенно нелепых, а порой исключительно глубоких. Процитируем навскидку некоторые из них.

Девис мог бы вспомнить и непревзойденного Льюиса Кэрролла. Когда Алиса за чашкой чая сказала, что любит неплохо провести время, безумный Шляпа возмущенно закричал: «Ишь чего захотела! Если бы ты знала старика Время, как знаю его я, ты бы об этом даже не заикнулась. Его не проведешь! Не на такого напала!»

Наконец, Остап Бендер, которого Девис наверняка не знает: «Время, которое у нас есть, это деньги, которых у нас нет».

Однако шутки в сторону. Время, если к нему как следует присмотреться, оказывается в высшей степени невразумительным понятием. Почему мы помним прошлое, но не помним будущего? Почему, спрашивается, в пространстве можно перемещаться в любом желаемом направлении, по всем трем его осям, или координатам, тогда как время принципиально одномерно и всегда течет из прошлого в будущее? Существует даже понятие «стрелы времени», причем принято выделять три ее составляющие – термодинамическую, космологическую и психологическую стрелу. Удивительным образом все они направлены в одну сторону. Человеку с улицы эти вопросы могут показаться праздными и лишенными смысла, ибо наша безусловная вовлеченность в поток событий представляется ему чем-то само собой разумеющимся. Между тем загадка «стрелы времени» – одна из труднейших, и окончательного ответа на вопрос, почему время течет в одном вполне определенном направлении, не сумел найти пока еще никто.

Дело усугубляется тем, что законы науки не отличают прошлого от будущего. Если говорить более строго, они не меняются в результате нарушения так называемой СРТ-симметрии. Буквой С обозначают замену частицы античастицей, буквой Р – зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а буквой Т – изменение направления движения всех частиц на обратное, то есть поворот времени вспять. Иными словами, физические процессы, протекающие в нашей Вселенной, не изменятся ни на йоту, если поменять параметры С, Р и Т на обратные. С другой стороны, если законы науки столь равнодушны даже к тройной комбинации операций С, Р и Т, мы вправе предположить, что они точно так же не должны меняться и при выполнении одной-единственной операции Т. Однако совершенно очевидно, что между движением вперед и назад во времени лежит дистанция огромного размера. Фарфоровая чашка, упав со стола на каменный пол, непременно разобьется вдребезги, и никому до сих пор не довелось наблюдать обратной последовательности событий, когда осколки собираются воедино, а целехонькая чашка вновь вспрыгивает на стол. Подобное поведение диктуется вторым началом термодинамики, которое гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок (или энтропия, что то же самое) всегда возрастает со временем. В известном смысле этот лучший из миров подчиняется знаменитому закону Мерфи, согласно которому бутерброд всегда падает маслом вниз. Читателю, тяготеющему к научной строгости, можно предложить несколько иную формулировку этого шуточного закона: из двух равновероятных событий всегда происходит наиболее неприятное.

Итак, закон неубывания энтропии, или увеличение беспорядка с течением времени, лежит в основе термодинамической стрелы. Космологическая стрела отражает расширение Вселенной, а психологическая определяет наше субъективное ощущение времени. А поскольку она задается термодинамической стрелой и подчинена ей, мы запоминаем события в том же порядке, в каком растет энтропия. Именно поэтому мы помним прошлое, а не будущее.

Первоначально, к моменту Большого взрыва, Вселенная пребывала в высокоупорядоченном состоянии, но по мере того как эпоха сменялась эпохой, а мир порождал структуру за структурой в виде звезд, планет и галактик, энтропия неуклонно росла. На первый взгляд мы сталкиваемся с некоторым противоречием, поскольку эволюция Вселенной вообще и эволюция органического мира в частности (не говоря уже о становлении разума на планете Земля), казалось бы, не согласуются с увеличением беспорядка. Ведь жизнь развивалась от простого к сложному и в конце концов произвела на свет удивительный и совершенный механизм – гомеостат второго рода, каким является человеческий мозг. Едва ли кто-нибудь станет спорить, что человек значительно сложнее бактерии. Тем не менее это противоречие мнимое, ибо локальная упорядоченность непременно сопровождается ростом энтропии. Стивен Хокинг проиллюстрировал это обстоятельство весьма наглядно. Он пишет в «Краткой истории времени»:

Таким образом, наше субъективное ощущение времени – его неумолимая психологическая стрела – задается стрелой термодинамической, и второе начало термодинамики при такой постановке вопроса становится почти тривиальным. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет беспорядок. Логика вполне безупречная. Остается только разобраться, почему и космологическая, и термодинамическая стрела тоже направлены в одну сторону. Ларчик открывается просто. Если Вселенная будет расширяться достаточно долго, то к тому времени, когда расширение сменится сжатием, все звезды благополучно сгорят, а частицы развалятся на элементарные кирпичи. Другими словами, Вселенная окажется в крайне неупорядоченном состоянии. Но для эволюции органического мира и существования разумной жизни необходима, как мы помним, сильная термодинамическая стрела, потому что все живое потребляет пищу, которая выступает в роли носителя упорядоченной формы энергии. Жизнь переводит ее в неупорядоченную форму, превращая энергию пищи в тепло. Таким образом, на стадии сжатия существование сложных структур невозможно, ибо мир отличается предельной неупорядоченностью и не содержит необходимого строительного материала. Вдобавок в фазе сжатия температура и давление будут неуклонно расти, так что любая органика неминуемо погибнет в пламени мирового пожара.

Справедливости ради следует отметить, что некоторые ученые рассматривают новорожденную Вселенную как предельно неупорядоченную структуру. Скажем, знаменитый бельгийский физик русского происхождения Илья Пригожий полагает, что история Вселенной с момента Большого взрыва есть не что иное, как процесс эволюционного усложнения некоего «первичного атома», который был ее элементарным хаотически однородным состоянием. А доступные наблюдению и совершенно бесспорные процессы термодинамической деградации нашего мира носят сугубо локальный характер и ни в малейшей степени не влияют на судьбу Вселенной. По Пригожину, процессы самоорганизации будут продолжаться неограниченно долго, пока в конце концов не восторжествуют над силами вселенского распада. Однако большинство физиков с Пригожиным решительно не согласны и расценивают исходное состояние Вселенной как пример высокоупорядоченной структуры. Так или иначе, но вопрос о стреле времени пока еще очень далек от окончательного разрешения. А вам, читатель, если хотите разобраться в проблеме более основательно, рекомендую увлекательную книжку Стивена Хокинга «Краткая история времени».

Вернемся к варианту обхода сингулярности, предложенному Хокингом. Забегая немного вперед, отмечу, что его сценарий напичкан головоломной математикой и потому очень непрост для популярного изложения. Даже у специалистов, собаку съевших на различных моделях Вселенной, порой опускаются руки, когда они пытаются разобраться в построениях британского теоретика. Например, известный отечественный физик Я. А. Смородинский откровенно пишет, что пройдет еще немало времени, пока заманчивая и многообещающая идея Хокинга станет сколько-нибудь понятной.

Стандартную модель Вселенной, обремененную сингулярностью, можно графически изобразить в виде перевернутого конуса, поставленного на острие. Вертикальная ось на такой диаграмме будет обозначать время, а две взаимно перпендикулярные горизонтали – пространство нашего мира. Вершина конуса соответствует точке «ноль», моменту рождения Вселенной «из ничего». Легко видеть, что и масштабный фактор, то есть размер Вселенной, тоже равнялся в то время нулю. С течением времени диаметр окружности непрерывно растет, поскольку Вселенная расширяется. Таким образом, наш перевернутый конус можно представить как набор срезов различного диаметра, каждый из которых соответствует некоторому вполне определенному моменту времени. Чем дальше в прошлое (сверху вниз по вертикальной оси), тем меньше размер Вселенной, пока в вершине конуса (то есть в сингулярности) он окончательно не обратится в нуль. Итак, перед нами своего рода конусообразный хлебный батон, состоящий из отдельных ломтиков хлеба.

Однако сингулярность, как мы помним, не просто безразмерная точка, но исчезающе малый объем, лежащий в области планковских длин (10-33сантиметров). Напомню, что квантовые флуктуации, которыми мы легко пренебрегаем в «большом» мире, становятся весьма значимыми при масштабах порядка 10-33сантиметров. Планковскую длину луч света пересекает за 10-43секунды, следовательно, мы можем рассматривать эту величину как своего рода «квант времени». Таким образом, сама матушка природа выставила на нашем пути рогатки, запрещающие проводить точные измерения. Порядок вещей, заложенный в исходную структуру мира, оказывается сильнее наших желаний. Но коль скоро пространство и время не могут быть физически измерены ниже планковского предела, то неясно, имеют ли подобные величины хоть какой-либо физический смысл. Если на вершине конуса бессмысленно рассуждать о пространстве, то в точности то же самое справедливо и для времени у начала начал.

Вернемся к нашей диаграмме-конусу, где время движется вертикально вверх, а пространство разворачивается горизонтально и описывается окружностью с подвижным диаметром. У планковского предела, там, где бесчинствуют квантовые флуктуации, пространство и время окончательно теряют всякий физический смысл, и мы уже не имеем права говорить, что время ползет вверх, а пространство простирается горизонтально. Время в такой модели полностью теряет присущую ему специфику, и его уже невозможно отличить от других пространственных размерностей. Иными словами, когда размер Вселенной был меньше планковского предела, времени в нашем привычном представлении не существовало. В темноте, как известно, все кошки серы, поэтому время в области планковских длин становится полностью эквивалентным пространственным измерениям, образуя вместе с ними четырехмерную сферу. И только когда Вселенная перешагнула планковский предел и стала неудержимо расти, квантовые флуктуации потеряли свое основополагающее значение, а пространство и время обрели различные свойства.

Хокинг предположил, что Вселенная у начала начал была настолько проста, насколько это возможно. Но что может быть проще сферы? Поэтому мы решительно и бесповоротно упраздняем вершину в нашей модели перевернутого конуса и заменяем ее нижним краем округлой чаши или сферы. С точки зрения британского теоретика, пространство-время ниже планковской длины напоминает сферу, и Вселенная, таким образом, не имеет никакого начала, в том смысле, что она не имеет края или границы.

Для наглядности обратимся к двумерной аналогии. Посмотрите на обыкновенный школьный глобус, эту несовершенную модель земного шара, и представьте себе на мгновение, что его Южный полюс будет точкой рождения Вселенной. Подобно тому как от брошенного в воду камня по зеркалу пруда расходятся круги, так и от условной точки, приуроченной в данном случае к Южному полюсу нашего небольшого шарика, Вселенная начинает уверенно расширяться. При этом расстояние от окружности к окружности, проведенное по меридиану, будет отражать рост Вселенной с течением времени. Понятно, что каждый последующий круг будет больше предыдущего, пока распухание мира не достигнет экватора. С этого момента окружности начнут раз за разом уменьшаться в диаметре и в конце концов окончательно сойдут на нет в точке Северного полюса. И хотя в такой модели Вселенная автоматически приобретает нулевые размеры на обоих полюсах, о неуклюжих сингулярностях можно благополучно забыть. Поскольку все точки на поверхности сферы абсолютно равноправны и ничем не отличаются друг от друга, у растущей Вселенной в сценарии Стивена Хокинга отсутствует некая особая точка (сиречь сингулярность), в которой нарушались бы все стандартные физические законы. Достигнув максимума на экваторе, широтные окружности начинают сразу же умаляться, пока не стянутся в точку на Северном полюсе. И хотя на полюсах размер Вселенной равен нулю, эти точки (вполне, впрочем, условные) будут сингулярными только по определению, как Южный и Северный полюса на поверхности земного шара. Законы физики будут выполняться в них с такой же непринужденной легкостью, как они выполняются на Южном и Северном полюсах планеты Земля.

К сожалению, столь изящное и гладкое описание истории нашего мира требует введения мнимого времени. И хотя выражение «мнимое время» звучит, быть может, несколько диковато, оно, тем не менее, является строгим научным понятием. Если умножить любое обычное (или действительное) число само на себя, мы получим в результате внятное положительное число. (Скажем, два, умноженное на два, дает четыре, и в точности то же самое получается при умножении – 2 на – 2.) Однако существует особый класс чисел (их принято называть мнимыми), которые при умножении на себя дают отрицательную величину. Например, мнимая единица (обычно ее обозначают буквой «i») при умножении на себя дает минус 1. Иногда ее описывают как корень квадратный из минус единицы. В таком предельно условном мире с категорией времени в области планковских длин происходят удивительные метаморфозы: оно навсегда утрачивает изначально присущие ему свойства длительности и начинает напоминать протяженные пространственные измерения. В сумерках предметы утрачивают свое лицо, становясь похожими друг на друга вплоть до полной неразличимости.

И только по мере роста масштабного фактора мнимое время Стивена Хокинга обретает свою неповторимость. Оно как бы рождается на ровном месте, незаметно выплывая из пространства и стряхивая с себя ненужную мишуру его протяженности.

На первый взгляд сценарий Хокинга может показаться несерьезной математической забавой. Его головоломные выкладки напоминают известную притчу о безумном портном, который шьет всевозможные одежды, нимало не заботясь о том, кому они могут прийтись впору. Склад готовой продукции давным-давно завален разнообразным тряпьем, которое может подойти кому угодно – осьминогу, кентавру, единорогу или каракатице. Он исповедует насквозь функциональный подход: каждая из одежек совершенна сама по себе, но реального субъекта, который мог бы натянуть на свои вполне конкретные телеса тот или иной диковинный наряд, на горизонте не усматривается. Безумного портного роднит с математиком установка на внутреннюю непротиворечивость: костюм может быть как угодно нелеп, но если он скроен в полном соответствии с правилами кройки и шитья, то уже тем самым имеет право на существование. Кому в действительности может пригодиться сей кривой балахон, роли не играет.

Рассказывают, что однажды выдающийся русский математик П. Л. Чебышев вознамерился прочитать парижанам лекцию о математической теории конструирования одежды. Кворум был велик. Послушать мировую знаменитость явились лучшие закройщики, модельеры и законодатели мод. Затаив дыхание и навострив перья, работники иглы раскрыли свои блокноты и записные книжки. Чебышев начал издалека.

– Господа, – сказал он, – примем для простоты, что человеческое тело имеет форму шара.

Остальные слова он договаривал в пустой зал.

Шутки шутками, но математики тоже не лыком шиты. К теории Стивена Хокинга специалисты относятся вполне серьезно, хотя и понимают ее с пятого на десятое. Гениальный британец полагает, что в действительности мир живет по законам мнимого времени, а так называемое реальное время – всего лишь фикция, кажимость, бабочка-однодневка, порхающая над поверхностью тяжелых и невозмутимых неподвижных вод. По его глубокому убеждению, реальное время, отсчитываемое нашими хронометрами, в окрестностях планковских величин преображается во время мнимое, и тогда неудобные сингулярности могут быть легко вычеркнуты из истории нашей Вселенной. Реальное время, с которым мы привыкли иметь дело, оказывается на поверку психологическим вывертом, удобной придумкой, фантомным изобретением нашей психики, а на дне мироздания равнодушно покоится вещь в себе – мнимое время. Впрочем, предоставим слово самому Хокингу.

Подводя черту под рассуждениями дерзкого британца, остается отметить, что не имеющая границ гладкая Вселенная Хокинга, несмотря на всю свою привлекательность, имеет по крайней мере один существенный недостаток: практически полное отсутствие доказательной экспериментальной базы. При этом нет никаких оснований считать, что в обозримом будущем такие доказательства появятся. Впрочем, это не самый страшный грех, поскольку львиная доля иных космологических моделей тоже не поддается экспериментальной проверке. Теория хаотической инфляции Андрея Линде является, пожалуй, счастливым исключением в этом ряду, ибо замечательно согласуется с последними достижениями наблюдательной астрономии.

С другой стороны, представление о том, что пространство и время образуют гладкую замкнутую поверхность, дает богатую пищу для размышлений относительно роли Бога в жизни Вселенной. Философский потенциал этой модели трудно переоценить. Едва ли не все космологические сценарии, постулирующие рождение мира «из ничего», пусть неявно и с большим скрипом, но все-таки допускают существование Творца.

Стивен Хокинг пишет:

Еще один сценарий происхождения нашей Вселенной предложил американский физик Ли Смолин. По его мнению, новые миры могут рождаться внутри черных дыр. О черных дырах, этих угольных мешках мироздания, куда материя проваливается без возврата, подробно рассказывалось в главе «Звездный паноптикум», поэтому не буду повторяться. Напомню только, что стадия черной дыры – закономерный этап эволюции очень массивных звезд. Когда звезда сжигает свое ядерное топливо, внутреннее давление уже не может противодействовать силам гравитации, и небесное тело обрушивается внутрь себя. Такое катастрофическое сжатие получило название гравитационного коллапса. Однако не только звезды или иные массивные объекты могут быть источником черных дыр; теория инфляции предсказывает, что на ранних стадиях эволюции Вселенной, в фазе раздувания, должны были во множестве формироваться первичные черные дыры.

Силы тяготения внутри горизонта событий черной дыры настолько велики, что коллапс продолжается до тех пор, пока плотность вещества не станет бесконечно большой. Само собой разумеется, что объем, занятый сжимающимся веществом, обратится при этом в нуль. Внутри черной дыры сидит уже знакомая нам сингулярность – безразмерная точка с бесконечно большой плотностью и кривизной пространства-времени. Пространство черной дыры – это дорога в никуда, бездонный и черный как вакса провал, из которого не в силах вырваться ни одна частица. Даже свет становится вечным ее пленником, ибо мощь гравитации за горизонтом событий превосходит все мыслимые пределы.

Однако теория относительности, как известно, не учитывает квантовые эффекты, а потому очень скверно работает в масштабах, меньших, чем планковская длина. Между тем роль квантовых флуктуации ниже планковского предела, когда сами понятия времени и пространства окончательно утрачивают физический смысл, становится определяющей. То же самое справедливо и для кривизны пространства-времени. Иными словами, мы вправе предположить, что никакой сингулярности с ее утомительными бесконечностями внутри черной дыры нет, а такие параметры, как плотность вещества и кривизна пространства-времени, должны быть ограничены некоторым критическим значением. Но если гравитационный коллапс в области планковских длин сходит на нет, то вполне вероятно, что пространство внутри черной дыры может подвергнуться стремительному раздуванию. Помните инфляцию, на порядки порядков увеличившую объем новорожденной Вселенной? Теория утверждает, что нечто подобное может приключиться и с черной дырой, когда коллапс естественным образом выдохнется.

Однако мы немедленно сталкиваемся с неразрешимым парадоксом. Если пространство внутри черной дыры начинает пухнуть как на дрожжах, то его объем должен многократно вырасти за очень короткий интервал времени. К моменту окончания инфляции он может легко превысить размеры наблюдаемой части Вселенной, если раздувание продолжалось достаточно долго.

Но с другой стороны, черная дыра – это истинная вещь в себе, из которой ничто, даже свет, не умеет выбраться наружу. Любое расширение, как бы велико оно ни было, непременно должно быть ограничено внутренним объемом черной дыры, ее гравитационным радиусом. А поскольку горизонт событий черной дыры не идет ни в какое сравнение с размерами полной Вселенной, то совершенно непонятно, каким образом столь грандиозный объем может уместиться внутри крохотной фитюльки.

Чтобы разделаться с этим парадоксом, нам вновь придется прибегнуть к двумерной аналогии. Представим себе детский воздушный шарик, по поверхности которого ползет плоскатик – крохотное разумное существо, не знакомое с третьим измерением. В нашей модели поверхность воздушного шара соответствует трехмерному пространству Вселенной. С точки зрения плоскатика, черная дыра в его мире – это всего-навсего небольшой участок поверхности, непроглядное как смоль пятно, куда ему нет доступа. Совершив путешествие вокруг пятна, плоскатик без труда выяснит, что черная дыра имеет вполне конечные размеры. Теперь вообразим, что гравитационный коллапс внутри плоской черной дыры давным-давно завершился, и она переживает фазу стремительного раздувания. При этом резина воздушного шарика внутри горизонта событий растягивается не в двумерный мир плоскатика, а вспучивается в направлении, прямо перпендикулярном поверхности шара. Места для такого раздувания более чем достаточно, поэтому дочерняя вселенная, рождающаяся на наших глазах, может легко превзойти в объеме материнскую. Однако для плоскатика этот процесс останется тайной за семью печатями, ибо его несовершенному зрению доступны всего лишь два измерения его скучного мира. Он не увидит ровным счетом ничего нового: перед ним будет назойливо маячить все то же невыразительное пятно, хотя в действительности оно уже давно развернулось в огромную вселенную.

Нечто подобное может происходить и в нашей реальной трехмерной Вселенной. По окончании коллапса пространство внутри черной дыры начинает неудержимо расширяться, и через несколько мгновений по галактическим часам новоиспеченный мир торжественно выплывает из небытия, рождая попутно свои собственные пространство и время. К сожалению, нам не суждено быть свидетелями этого захватывающего зрелища, подобно тому как плоскатик при всем желании не может проникнуть в третье измерение. Вселенную, внутри которой черная дыра перешла в инфляционный режим, мы вправе назвать материнской (или родительской), а отпочковавшуюся от нее «молодуху» – дочерней, или младенческой. Обе эти Вселенные будут связаны своеобразной пуповиной, трубкой пространства-времени, диаметр которой сопоставим, по всей видимости, с планковской длиной.

Однако пуповина может и оборваться, поскольку черные дыры пусть медленно, но испаряются, теряя массу за счет квантовых флуктуации возле своих границ. Горизонт событий неуклонно съеживается, как шагреневая кожа, и как только он станет меньше планковского предела, черная дыра эффективно сожмется в нуль, и всякое сообщение между родственными Вселенными прекратится. Мать и младенец заживут самостоятельной жизнью. Правда, некоторые физики утверждают, что квантовые эффекты приостановят испарение черной дыры возле планковского предела, но принципиального значения это обстоятельство не имеет. Лопнула соединяющая их пуповина или осталась в целости и сохранности, не играет никакой роли: обе Вселенные все равно изолированы друг от друга и ведут себя как вполне самостоятельные существа.

В дальнейшем дочерняя Вселенная может пойти по стопам своей мамаши. Когда раздувание прекратится, а энергия инфлатонного поля упадет до минимальных значений, произойдет Большой взрыв, и дочка перейдет в режим стандартного хаббловского расширения. После окончания инфляции флуктуации плотности в новорожденной Вселенной станут космологически значимыми, что приведет к формированию первичных черных дыр. Некоторые из них тоже начнут в свою очередь раздуваться, так что на свет появится уже третье поколение миров. В известном смысле эти новые миры будут уже внуками первоначальной родительской Вселенной, которые по прошествии времени тоже почти наверняка дадут потомство.

Таким образом, мы приходим к принципиально иной картине мироздания, которую можно было бы назвать глобальной Вселенной. Глобальная Вселенная представляет собой сложный ансамбль миров и напоминает виноградную гроздь. Некоторые виноградины-вселенные повязаны между собой пуповиной через черные дыры, которые не успели пока испариться, а другие давным-давно живут изолированно, но внутри большинства отпрысков продолжают рождаться первичные черные дыры, которые раз за разом дают путевку в жизнь все новым и новым генерациям вселенных. Другими словами, глобальная Вселенная способна непрерывно самовоспроизводиться. Такое неутомимое почкование может продолжаться неограниченно долго, поэтому можно сказать, что глобальная Вселенная не имеет начала во времени. Если вегетативный цикл не прекращается ни на мгновение и работает как часы, то глобальная Вселенная будет жить вечно.

Разумеется, каждая отдельно взятая виноградина (или домен, представляющий собой локальную Вселенную, надежно изолированную от своих собратьев) может обладать собственным уникальным набором физических параметров. Их роднит только общность происхождения, так сказать, голос крови. Одни миры, не успев как следует раздуться, сразу же начнут коллапсировать, схлопываясь в точку, а другие будут, наоборот, безудержно раздуваться, потому что инфляция растет по экспоненте. Среди всех мыслимых вселенных обязательно найдется хотя бы одна, где инфляционное расширение вовремя прекратится, породив флуктуации плотности, которые впоследствии дадут начало сложным структурам – галактикам и звездам. По счастливой случайности, мы живем как раз именно в такой вселенной. Если бы фундаментальные константы имели другие значения, эта книжка никогда не была бы написана.

Размножающиеся почкованием вселенные отнюдь не являются близнецами. Генеалогическое родство не имеет к их тонкой структуре ровным счетом никакого отношения. Мировые постоянные – не Моисеевы заповеди, записанные на скрижалях. Бог не говорил из горящего куста с полномочными представителями избранного народа, и поэтому фундаментальные константы могут принимать произвольные значения. Число пространственных измерений, развернувшихся до космологических масштабов, тоже не обязано ограничиваться цифрой «три» и может ощутимо варьироваться в отдельно взятых локальных пузырях. Даже время внутри почкующихся виноградин может выкидывать удивительные коленца и течь как бог на душу положит.

Мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, потому что все, что совершается за горизонтом событий, под непроницаемой крышкой сферы Шварцшильда, представляет собой абсолютную terra incognita. Но если Ли Смолин прав, и наша Метагалактика, сиречь наблюдаемая Вселенная, вылупилась в свое время из первичной черной дыры, мы имеем ни с чем не сравнимую возможность изучать ее потроха изнутри, просто-напросто исследуя структуру окружающего нас мира.

Нам остается ответить на один-единственный сакраментальный вопрос. По самым скромным оценкам, масса нашей Вселенной составляет примерно 1022масс Солнца. Но если Вселенная столь увесиста, то каким образом это изобилие вещества может уместиться в крохотном объеме первичной черной дыры? На самом деле никаким парадоксом здесь даже не пахнет. Вспомним, что творение мира «из ничего» предполагает равновесие между отрицательной энергией гравитации и положительной энергией вещества. А поскольку отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с массой, давая в итоге нуль, масса дочерней Вселенной может быть весьма большой. Новорожденный младенец может без особого труда перерасти своего родителя.

На этом можно было бы поставить точку, но совсем недавно английский физик Барбур представил на суд почтеннейшей публики нашумевшую книгу под названием «Конец времени». В ней он вознамерился доказать, что никакого времени в природе не существует, а последовательность событий, которые мы привычно располагаем вдоль временной оси, есть не что иное, как инерция нашего мышления, не имеющая с реальностью ничего общего.

Это, пожалуй, самая радикальная и экстравагантная гипотеза о природе времени, и мой рассказ о различных космологических моделях был бы неполон, если бы я не уделил концепции бойкого англичанина хотя бы несколько строк. Теория Барбура подробно рассмотрена Рафаилом Нудельманом в увлекательной статье «Новейший путеводитель по времени», опубликованной в двух номерах журнала «Знание – сила» за 2002 год, и вы, читатель, без труда можете с ней ознакомиться. Я перескажу ее вкратце.

Барбура занимают не реальные физические объекты, а отношения между ними. Если мы возьмем три точки и соединим их прямыми линиями, то получим треугольник определенного вида. Это и будет барбуровским «соотношением», которое описывает систему из трех точек. Если в следующий момент времени положение точек в пространстве изменится, то и треугольник примет иной вид. Это новое «соотношение» будет иметь уже другие характеристики.

Теперь обозначим длину каждой из сторон нашего треугольника некоторым числом. Построим пространство с тремя осями координат и на каждой оси отложим одно из этих чисел. У нас получится одна-единственная точка в пространстве, которая, само собой разумеется, будет отражать не реальное положение исходных точек, а всего лишь соотношение между тремя объектами. Назовем такое условное пространство (с физическим пространством оно не имеет ничего общего) конфигурационным, или К-пространством. Все последующие состояния системы из трех объектов на протяжении всей ее истории будут описываться совокупностью точек, определенным образом растыканных по К-пространству.

Подобную операцию можно проделать с каждой из реальных физических частиц, наполняющих Вселенную, и тогда все они займут положенное им место в конфигурационном пространстве. Барбур называет свое вымышленное пространство Платонией в честь великого греческого философа, который, как известно, настаивал на реальном существовании общих понятий (универсалий). По Платону, материальный мир является бледной копией великолепного мира идей, его ущербным подобием.

Если бы мир подчинялся законам классической механики Ньютона, каждое последующее его состояние однозначно вытекало бы из предыдущего. Такая картина мироздания получила название детерминистской и была в большом ходу вплоть до начала прошлого столетия. Выдающийся французский астроном и математик Пьер Лаплас в свое время даже брался вычислить будущее Вселенной, если в его распоряжении будут точные координаты всех элементарных частиц. В мире Ньютона наблюдатель, находящийся вне Платонии, мог бы указать последовательность всех барбуровских точек и соединить их траекторией, в результате чего у каждой точки появилась бы «история» со своим собственным прошлым и будущим.

К сожалению, мы живем в вероятностном мире, который управляется квантовыми законами. Принцип неопределенности накладывает фундаментальный запрет на одновременное определение координаты и скорости элементарной частицы: чем точнее измерен один параметр, тем менее точно может быть рассчитан другой. Поэтому точки на карте Платонии, отражающие положение частиц в конфигурационном пространстве Барбура, следует заменить вероятностями. Но тогда картинка сразу же потеряет резкость: вместо фиксированных точек мы увидим легкую дымку, дрожащее марево над раскаленным асфальтом. Соединить их жесткой траекторией (написать «историю») окажется решительно невозможно.

Но почему же мы все-таки воспринимаем время, если в действительности его нет? Барбур утверждает, что «впечатление изменений возникает здесь лишь потому, что в нашем мозгу собирается несколько порций информации о различных положениях (или состояниях) одного и того же объекта». По его мнению, отказ от категории времени позволяет не только избавиться от сингулярностей с их нагромождением бесконечностей, но и раз и навсегда разделаться с его неуклюжими стрелами. Во всех прочих космологических сценариях время течет из прошлого в будущее, потому что Вселенная имела начало. Но в Платонии Барбура «момент ноль» отсутствует по определению, поскольку время из нее вынуто. Если в Платонии для трех точек имеется некая особая конфигурация Альфа, где все частицы находятся в одном месте, тогда то же самое справедливо и для Вселенной в целом. «Большая» Платония тоже должна иметь свою конфигурацию Альфа, особую выделенную точку, когда все частицы Вселенной находятся в одном месте.

Барбур пишет:

Одним словом, время, с точки зрения Барбура, – это фантом, бесплотный призрак, продукт нашей несовершенной психики. Мы воспринимаем его как поток, имеющий вполне определенное направление, только лишь потому, что сами являемся неотъемлемой частью этого мира, его безусловным порождением. Истинная Вселенная лишена времени, его привносит туда наше бестолковое сознание, которое всеми правдами и неправдами тщится углядеть в неведомом до боли знакомое, напяливая фрачную пару на осьминога, и потому описывает мир сугубо приблизительно.

Что можно сказать по этому поводу? Подавляющее большинство физиков оценивают идеи Барбура весьма скептически, справедливо полагая их пустой математической забавой, набором блестящих схоластических парадоксов. Не пожалеем места и процитируем известного австралийского теоретика Пола Девиса.

Вот так, коротко и ясно. Ивашка пойдет гулять, а Витька будет дома сидеть, как говорила одна рабоче-крестьянская мама, раздосадованная поведением своего старшего сына.

Нам осталось расплеваться с так называемым антропным принципом, после чего мы перейдем к более животрепещущим вопросам. Об удивительной юстировке фундаментальных констант, ювелирной подгонке исходных параметров мироздания нам случалось упомянуть не единожды, и вы, уважаемый читатель, должны помнить, что не так страшен черт, как его малюют. Космологические модели, постулирующие множественность миров (например, теория хаотической инфляции Андрея Линде или безудержно почкующаяся глобальная Вселенная Ли Смолина), позволяют выбросить на свалку набившую оскомину гипотезу Творца, ибо они последовательно и непротиворечиво решают вопрос о тонкой настройке мировых констант. Однако не будем забегать вперед.

Термин «антропный принцип» был впервые предложен профессором Кембриджского университета Брандоном Картером, одним из крупнейших астрофизиков нашего времени. Впрочем, проницательные люди обращали внимание на поразительную выверенность фундаментальных констант задолго до Картера. Так, еще в начале 50-х годов прошлого века знаменитый английский астрофизик Фред Хойл задался вопросом, каким образом рождаются углерод и кислород в звездных недрах. Ему удалось подметить любопытное численное соотношение между суммарной энергией трех альфа-частиц (или, что то же самое, ядер гелия) и уровнем энергии ядра углерода. Чтобы при слиянии трех альфа-частиц образовался углерод, эта величина должна составлять 7,7 мегаэлектронвольта. Впоследствии этот квантовый эффект был обнаружен экспериментально. А чуть позже великий Поль Дирак уловил еще одно удивительное совпадение между размерами наблюдаемой Вселенной и силой гравитации в ней, хотя эти величины никак не связаны друг с другом.

Не менее интересен и тот факт, что плотность нашего мира весьма близка к критической плотности. Если бы величина ? была несколько меньше критической, рассеянное вещество, находящееся в очень разреженном состоянии, просто не успело бы собраться в массы, необходимые для формирования звезд. С другой стороны, если ? больше ?кр, то, наоборот, конденсация пойдет ускоренными темпами, и жизнь во Вселенной (или, если говорить более строго, сложные структуры) элементарно не успеет возникнуть. И уж тем более не хватило бы времени для эволюции органического мира, которая на Земле, как известно, продолжалась несколько миллиардов лет.

Если увеличить в 100 раз численное значение гравитационной постоянной, то во столько же раз сократится время жизни Солнца. Понятно, что 50 миллионов лет явно недостаточно, чтобы на планетах Солнечной системы возникла биосфера. При других значениях константы электромагнитного взаимодействия потеряет стабильность протон – фундаментальный кирпич мироздания, а если мы вдобавок немного «подправим» константы сильного и слабого взаимодействий, облик Вселенной изменится до неузнаваемости.

Отношения масс протона, нейтрона и электрона между собой тоже имеют определяющее значение и для современной структуры Вселенной, и для появления в ней жизни. Скажем, масса нейтрона превышает массу протона на ничтожно малую величину (порядка 10-3m?). Если мы всего-навсего удвоим эту величину, атомы химических элементов потеряют стабильность. Точно так же увеличение массы электрона всего лишь в три раза приведет к распаду ядер атомов водорода – самого распространенного элемента во Вселенной.

Размерность окружающего нас пространства тоже дает богатую пищу для размышлений. Три пространственных измерения обеспечивают устойчивое обращение тел друг около друга: либо тело стабильно движется по эллипсу (в частном случае, по окружности), либо улетает в бесконечность по параболической или гиперболической траектории. А вот в четырехмерном мире периодическое движение по замкнутой орбите невозможно: планета или упадет на центральное светило, или немедленно улетит в бесконечность. Это означает, что в мире четырех пространственных измерений не может существовать устойчивых планетных систем, движения электронов вокруг атомных ядер и т. п. Вся материя рассыпается в прах. А в мирах с числом измерений меньше трех атомы утрачивают способность излучать в непрерывном спектре, поскольку электроны не могут там совершать необходимые для этого орбитальные переходы.

Список тончайшей юстировки фундаментальных констант непрерывно растет и сегодня уже достиг поистине устрашающей величины. Поневоле задумаешься над тем, что кто-то мудрый и предусмотрительный сознательно отшлифовал мироздание, дабы в нем мог вырасти человек. В нашем распоряжении имеется три варианта ответа на этот вопрос.

Вариант первый. Законы природы сотворены высшим разумом. Теоретически подобная ситуация вполне возможна, поэтому не станем отвергать ее с порога. В конце концов, создаем же мы в земных лабораториях искусственные питательные среды для выращивания полезных микроорганизмов, и кто знает, каких еще успехов добьется биотехнология через пару-тройку тысячелетий. Правда, не совсем понятно, каким образом этот гипотетический высший разум умудрился уцелеть в пламени вселенского пожара, когда наш мир выныривал из небытия, и где он находился и чем был занят, когда мира еще не было. С другой стороны, сверхразум – он и в Африке сверхразум, а наше дело телячье – обгадил ноги и стой. Однако серьезные ученые начинают морщиться, когда речь заходит о божественном промысле. С помощью вмешательства сверхъестественных сил можно безо всякого труда объяснить любое явление, но тогда наука прикажет долго жить. Естественно-научный подход, в отличие от веры, склонен исповедовать принцип Оккама: не следует умножать число сущностей сверх необходимости. Поэтому оставим вариант номер один теологам и богословам. Высшие силы числятся по их ведомству.

Вариант второй. Если Теория всего на свете (Theory of Everything, сокращенно TOE) будет когда-нибудь построена, вполне вероятно, что численные значения фундаментальных констант получат естественное и разумное объяснение. Когда ученые поймут, что такое масса, заряд, спин и прочие изнаночные сущности мироздания, быть может, удастся ответить на вопрос, почему они принимают именно такие, а не другие значения. Тогда антропный принцип можно будет снять с повестки дня. М-теория, о которой рассказывалось в предыдущих главах, сегодня претендует на многое, однако до финиша пока еще далеко.

Вариант третий, наиболее любезный нашему сердцу. Если мироздание не исчерпывается наблюдаемой частью Вселенной, если они во множестве рождаются из квантовых флуктуации пространственно-временной пены (по Линде) или из первичных черных дыр (по Смолину), то наша Вселенная перестает быть уникальной и единственной в своем роде. Фундаментальные константы могут принимать в этих бесчисленных мирах любые произвольные значения, а жизнь и разум возникают только в тех вселенных, где существуют подходящие для них условия. Правда, кое-кому может показаться, что природа на редкость неэкономна: нагородить этакую прорву миров, чтобы в некоторых из них зажглась искорка разума. Еще Эйнштейн говорил, что Бог не играет в кости. Между тем удивляться тут нечему, ибо природа – слепой конструктор, и расточительство является ее имманентной чертой. Из миллионов икринок выживает всего несколько тысяч, а деревья каждый год во множестве рассеивают семена, чтобы некоторые из них пошли в рост. На вопрос «Почему наша Вселенная такова, какой мы ее видим?» следует ответ: «Если бы Вселенная была другой, нас бы здесь не было!» Это и есть формулировка антропного принципа.

Вообще-то антропный принцип существует в двух формулировках – слабой и сильной. Слабый антропный принцип настаивает на том, что разумная жизнь возникает только там и тогда, где и когда для нее имеются подходящие условия. Скажем, современная космология утверждает, что Вселенная возникла около 14 миллиардов лет тому назад и просуществует еще достаточно долго. Почему мы живем сравнительно недалеко от момента ее рождения? Ларчик открывается просто: 10 миллиардов лет назад звезд второго поколения с химическим составом, необходимым для появления сложных структур, еще не было, а через несколько десятков миллиардов лет все они сгорят без остатка, и разумная жизнь нашего типа станет невозможной.

Сильный антропный принцип гласит, что законы природы и параметры фундаментальных констант таковы, что допускают возникновение разумной жизни. Иными словами, мир заточен под человека. Откровенно говоря, обе версии антропного принципа утверждают практически одно и то же, но все-таки его сильная ипостась изрядно отдает телеологией. Получается, что вся гигантская машинерия мироздания задумана исключительно ради нас с вами. С такой формулировкой примириться нелегко. Кроме того, неплохо бы внести одно существенное уточнение.

Когда мы говорим, что при других параметрах фундаментальных констант во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь, следовало бы добавить: жизнь в известных нам формах. А ведь даже белковая жизнь на планете Земля обладает огромным адаптивным потенциалом. Достаточно вспомнить о так называемых «черных курильщиках» – горячих гейзерах на дне океанов. Они являются настоящим рассадником жизни, хотя температура воды вблизи курильщика достигает 300 градусов по Цельсию при давлении в несколько сотен атмосфер. Что уж тут говорить о гипотетических внеземных организмах, чей обмен веществ может строиться на принципиально иной химической основе.

Между прочим, природно-климатические условия нашей планеты меняются в очень широких пределах, что не мешает земным организмам прекрасно себя чувствовать и на полюсе, и на экваторе. Температурный оптимум – дело вкуса. Нильскому крокодилу пришлось бы несладко за полярным кругом, а белым медведям, моржам и тюленям едва ли понравились бы тропики. Если бы белый медведь умел рассуждать логически, он непременно пришел бы к выводу, что мудрая природа специально позаботилась о том, чтобы ему, белому медведю, было хорошо. Не приведи Господь жить в знойной пустыне, где днем с огнем не сыщешь вкусных и полезных тюленей, а солнце палит немилосердно. То ли дело в родных пенатах: прохладная водичка, свежий ветерок и полугодовая полярная ночь...

Подводя итоги этой главы, подчеркнем еще раз: идея о множественности вселенных естественным образом разрешает проблему ювелирной настройки фундаментальных констант, поэтому громоздкую и неуклюжую гипотезу Бога можно со спокойной совестью благополучно спровадить в утиль.