Параллельные
жүктеу/скачать 2.74 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- New York London Toronto Sydney Auckland МИЧИО КАКУ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ МИРЫ
- Перевод с английского М. Кузнецовой Каку Мичио
- Часть11.Мультивселенная 129
- Часть III. Побег в гиперпространство 321
- Эта книга посвящается моей любящей жене Сидзуэ. Благодарности
- ЧАСТЬ I ВСЕЛЕННАЯ ГЛАВА 1 Детские фотографии Вселенной
- Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона
- Здесь и далее прим. ред., если не указано иначе.
- М-теория и 11-е измерение
- Музыкальная аналогия Струнный эквивалент Нотная запись
- «Замысел Бога» Музыка, резонирующая сквозь гиперпространство Композитор
- Побег в гиперпространство
|
MICHIO KAKU 
PARALLEL WORLDS AJOURNEY THROUGH / CREATION, HIGHER DIMENSIONS, AND THE FUTURE OF THE COSMOS 
DOUBLEDAY New York London Toronto Sydney Auckland МИЧИО КАКУ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ МИРЫ «СОФИЯ» 2 0 0 8 Об устройстве мироздания, высших измерениях и булушем Космоса 
УДК 524
К16 Перевод с английского М. Кузнецовой Каку Мичио К16 Параллельные миры: 06 устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса / Перев. с англ. — М.: ООО Издательство «София», 2008. —416 с. ISBN 978-5-91250-520-1 Эта книга, конечно же, не развлекательное чтение. Это то, что называется «интеллектуальный бестселлер». Чем, собственно, занимается современная физика? Какова нынешняя модель Вселенной? Как понимать «многомерность» пространства и времени? Что такое параллельные миры? Автор этой книги, Мичио Каку, очень авторитетный ученый-физик. Поэтому в «Параллельных мирах» вы не найдете помпезной «псевдонауки». Мичио Каку — опытный литератор. Он умеет писать просто. И в этой книге вы не найдете сложных математических формул. Наконец, Мичио Каку — японец, воспитывавшийся в буддийской религии. И он умеет передать читателю свое чисто восточное спокойное восхищение совершенством нашего огромного Мироздания. УДК 524
©200SbyMichioKaku Parallel Worlds A Journey Through Creation, Higher Dimensions, and the Future of the Cosmos Все права зарезервированы, включая право на полное или частичное воспроизведение в какой бы то ни было форме. ISBN 978-5-91250-520-1 © «София», 2008 © ООО Издательство «София», 2008
Содержание Благодарности 8 Вступление 12
Глава 1
Детские фотографии Вселенной 16 Глава 2
Парадоксальная Вселенная 37 Глава 3
Большой Взрыв 61 Глава 4
Расширение и параллельные вселенные 94 Часть11.Мультивселенная 129 Глава 5
Порталы в другие измерения и путешествие во времени 130 Глава 6 Параллельные квантовые вселенные 169 Глава 7 М-теория: мать всех струн 207 Глава 8 Спроектированная вселенная? 272 Глава 9 В поисках эхо-сигналов из одиннадцатого измерения... 289 Часть III. Побег в гиперпространство 321 Глава 10
Конец всего 322 Глава 11
Побег из нашей вселенной 340 Глава 12
За пределами Мультивселенной 383 Примечания автора 403 Эта книга посвящается моей любящей жене Сидзуэ. Благодарности Я хотел бы поблагодарить ученых, которые были столь любезны, что уделили мне время для беседы. Их комментарии, замечания и идеи в значительной степени обогатили эту книгу и придали ей большую глубину и ясность. Вот их имена:
А вот имена ученых, которым я бы хотел выразить благодарность плодотворные дискуссии на физические темы:
Я хотел бы также поблагодарить Кена Кросвелла за его многочис- ленные комментарии к моей книге. И еще я хочу выразить благодарность моему редактору, Роджеру Шоллу, который мастерски отредактировал две мои книги. Его твер- дая рука во многом улучшила эти книги, а его комментарии всегда помогали разъяснить и углубить содержание и презентацию моих книг. И наконец, я бы хотел поблагодарить своего агента, Стюарта Кричевского, который занимался продвижением моих книг на про- тяжении всех этих лет. Вступление К осмология изучает Вселенную как единое целое, в том числе . ее рождение и, возможно, ее конечную судьбу. Неудивительно, что эта наука претерпела множество трансформаций в ходе своего медленного и нелегкого развития, — развития, которое часто омра- чалось религиозными догмами и предрассудками. Первый переворот в истории космологии был связан с изобре- тением телескопа в XVII в. При его помощи Галилео Галилей, осно- вываясь на работах выдающихся астрономов Николая Коперника и Иоганна Кеплера, впервые приблизил к нам величие небес и сделал их предметом серьезных научных исследований. Кульминацией раз- вития космологии на раннем этапе стали работы Исаака Ньютона, который сформулировал фундаментальные законы, управляющие движением небесных тел. Эти законы больше не рассматривались как некое волшебство или мистика — стало ясно, что на все тела действу- ют силы, которые можно измерить и подсчитать. Начало второго переворота в истории космологии было по- ложено изобретением больших телескопов, таких, как телескоп в обсерватории Маунт Уилсон с огромным рефлектором диаметром в 250 см. В 1920-е годы при помощи этого гигантского телескопа астроном Эдвин Хаббл опроверг вековые догмы, гласившие, что Вселенная неизменна и вечна: он показал, что галактики удаляются от Земли с невероятными скоростями — то есть что Вселенная рас- ширяется. Это подтвердило результаты общей теории относитель- ности Эйнштейна, в которой архитектура пространства-времени представала отнюдь не плоской и линейной, а динамичной и искрив- Вступление 13 ленной. Это дало возможность выдвинуть первое правдоподобное
В настоящее время происходит третий переворог. Он начался около пяти лет назад и был вызван появлением целого арсенала новых высокотехнологичных приборов, таких, как космические спутники, лазеры, детекторы гравитационных волн, рентгеновские телескопы и высокоскоростные суперкомпьютеры. На данный момент мы располагаем самыми надежными сведениями о природе Вселенной, включающими ее возраст, состав и, возможно, даже ее будущее и окончательную гибель. Сейчас астрономы понимают, что Вселенная стремительно рас- ширяется, бесконечно ускоряя это движение и постепенно становясь все холоднее и холоднее. Если этот процесс будет продолжаться, то мы столкнемся с перспективой «Большого Охлаждения», когда Вселенная погрузится во тьму и холод, а вся разумная жизнь погиб- нет. Данная книга посвящена именно этому третьему перевороту. Она отличается от моих предыдущих книг по физике «За пределами науч- ной мысли Эйнштейна» (Beyond Einstein) и «Гиперпространство» (Hyperspace), которые помогли представить широкой публике новые концепции дополнительных измерений и теории суперструн. В кни- ге «Параллельные миры» я уделяю основное внимание не проблеме пространства-времени, а революционным изменениям в космоло- гии, происшедшим за последние несколько лет. В разработке этой темы я опираюсь на новые данные, полученные учеными всего мира из самых отдаленных уголков космоса, а также на новейшие открытия теоретической физики. Мне очень хотелось, чтобы книгу легко было читать и понимать без предварительного введения в физику или кос- мологию. В первой части я акцентирую внимание на изучении Вселенной, вкратце освещая достижения ранних этапов космологии, кульмина- ционной точкой которых стало появление теории инфляционного расширения Вселенной. Эта теория представляет на настоящий момент самую передовую формулировку теории Большого Взрыва. Часть вторая посвящена исключительно зарождающейся теории Мультивселенной — мира, состоящего из множества вселенных, где наша является лишь одной из многих, — кроме того, в ней рас- сматривается возможность существования порталов-червоточин, пространственных и временных водоворотов и возможная связь между ними через дополнительные измерения. Теория суперструн и М-теория стали первым крупным достижением после основопола- гающей теории Эйнштейна. В этих теориях содержатся дальнейшие доказательства того, что наша Вселенная — лишь одна из многих. И наконец, в третьей части рассказывается о Большом Охлаждении и о том, каким представляют ученые конец нашей Вселенной. Я также веду серьезный, хоть и гипотетический разговор о том, каким обра- зом в отдаленном будущем, триллионы лет спустя, высокоразвитая цивилизация могла бы использовать законы физики, чтобы покинуть нашу Вселенную и начать процесс возрождения в другой, более гостеприимной вселенной или вернуться назад — в то время, когда Вселенная была теплее. Поток новых данных, которые мы получаем в настоящий момент, современная техника, такая, как космические спутники, способные сканировать небо, новые детекторы гравитации, а также близящееся завершение строительства новых ускорителей частиц размером с город, дают физикам уверенность в том, что мы вступаем в золотой век космологии. Словом, это благодатное время для физиков и всех, кто пускается на поиски знаний о происхождении и судьбе нашей Вселенной. ЧАСТЬ I ВСЕЛЕННАЯ ГЛАВА 1 Детские фотографии Вселенной Поэт лишь желает подняться головой к небесам. Логик же пытается затолкать небеса к себе в голову. Его-то голова и раскалывается. Г. К. Честертон В детстве я испытывал внутренний дискомфорт, связанный с тем, что я и мои родители исповедовали разные религии. Родители были воспитаны в буддийских традициях. Я же каждую неделю ходил в воскресную школу, где с увлечением слушал библейские сказания о китах, ковчегах, соляных столпах, ребрах и яблоках. Я был очарован этими притчами Ветхого Завета, в воскресной школе мне нравились именно они. Эти притчи о великих потопах, пылающих кустах и рас- ступающихся пучинах увлекали меня гораздо сильнее буддийских песнопений и медитаций. По сути, эти древние сказания о героизме и вселенской трагедии ярко иллюстрировали глубокие моральные принципы; уроки этики, вынесенные из них, остались со мной на всю жизнь. Тогда мы как раз изучали Книгу Бытия. Читать о Боге, громоглас- но вещающем с небес «Да будет Свет!», было намного интереснее, чем безмолвно медитировать, погрузившись в размышления о гряду- щей Нирване. Из наивного любопытства я спросил нашу учительни- цу: «А была ли у Бога мать?» Обычно она отвечала на вопросы без малейшей запинки, у нее всегда имелась под рукой притча с глубокой моралью. Однако на этот раз оказалось, что я захватил ее врасплох.
Она смущенно пробормотала, что проконсультируется по этому вопросу со священником. Мне и невдомек было, что я случайно коснулся одного из труд- нейших вопросов теологии. Я был озадачен, потому что в буддизме Бога-Творца просто не существует, есть лишь вечная Вселенная без начала и без конца. Какое-то время спустя, начав изучать великие мифологии мира, я узнал о существовании двух космологических концепций. Первая основывалась на представлении о том, что Бог создал Вселенную за одно мгновение, вторая же утверждала, что Вселенная была и пребудет вечно. «Не может же и то, и другое быть верным», — думал я. Позднее я обнаружил, что сходные мотивы пронизывают пре-
В мифе о Пань-гу повторяется идея, встречающаяся во многих других религиях и древних мифологиях, — о том, что Вселенная начала свое существование creatio ex nihilo (будучи сотворенной из ничего). В греческой мифологии Вселенная возникла из Хаоса (в сущности, само слово «хаос» происходит от греческого слова, означающего «бездна»). Эта пустота, лишенная каких-либо четких черт, часто представляется как некий Океан, например в вавилон- ской и японской мифологиях. Тот же мотив прослеживается в древнеегипетской мифологии, где бог солнца Ра появляется из яйца, покачивающегося на волнах Океана. В полинезийских мифах вме- сто космического яйца фигурирует скорлупа кокоса. В верованиях майя эта история подавалась в варианте, где Вселенная однажды возникла, но через каждые пять тысяч лет она умирает, чтобы воз- рождаться вновь и вновь, повторяя бесконечный цикл рождений и разрушений. Эти мифы creatio ex nihilo представляют собой ярко выраженный контраст с космологией буддизма и некоторых форм индуизма. В мифологиях этих религий Вселенная вечна, она не имеет ни начала, ни конца. Есть различные уровни существования, высшим из кото- рых является Нирвана, уровень вечный, достичь которого можно лишь при помощи медитации. В индуистской Махапуране написано: «Если Бог создал мир, то где же Он был до Создания?.. Знайте, что мир не был создан, равно как не было создано время, они не имеют ни начала, ни конца». Эти мифологии противоречат друг другу, не находя компромис- са. Они взаимоисключающи: либо у Вселенной было начало, либо его не было. Очевидно, что здесь отсутствует возможная точка сопри- косновения. Однако сегодня, кажется, зарождается некое разрешение этого спора, приходящее из совершенно нового мира — мира науки. Его предлагают последние поколения мощных научных приборов и аппаратов, способных летать в открытом Космосе. Объясняя проис- хождение мира, древняя мифология основывалась лишь на мудрости рассказчика. Сегодня ученые, активно используя космические спут- ники, лазеры, детекторы гравитационных волн, интерферометры, высокоскоростные суперкомпьютеры, а также Интернет, совершили мощный прорыв в науке. Тем самым они революционизировали наше понимание Вселенной и представили нам самую убедительную из когда-либо существовавших точку зрения на ее возникновение. Таким образом, на основе полученных новых данных постепен- но происходит великий синтез двух противостоящих мифологий. Возможно, предполагают ученые, мир рождается многократно в вечном Океане Нирваны. В свете нынешних представлений нашу Вселенную можно сравнить с пузырьком воздуха, свободно плава- ющим во вселенском «океане», где постоянно образуются новые пузырьки. Согласно этой теории, вселенные образуются непре- рывно, словно пузырьки при кипении воды, и разлетаются по бес- конечному пространству, гиперкосмической нирване, обладающей одиннадцатью измерениями. Все больше физиков полагает, что наша Вселенная действительно появилась в результате огненного ката- клизма, Большого Взрыва, сосуществуя в вечном Океане с другими вселенными. Если это так, то Большие Взрывы происходят даже сей- час, когда вы читаете это предложение. Физики и астрономы во всем мире строят гипотезы о том, как мо- гут выглядеть эти параллельные миры, какие законы в них действуют, откуда они произошли и как в конце концов погибнут. Возможно, па- раллельные миры пустынны и не содержат неких жизненно важных компонентов. А возможно, они практически не отличаются от нашей Вселенной и отделены от нее всего одним существенным событием оизошедшим или не произошедшим), которое и стало причиной их различия. По предположениям некоторых физиков, если когда- нибудь жизнь в существующей ныне Вселенной станет невозможной из-за ее старения и остывания, может так случиться, что нам придется ее покинуть и искать прибежища в другой вселенной. Основанием для этих новых теорий служит огромный при- ток данных с космических спутников, по мере того как они фото- графируют останки самого творения. Примечательно, что ученые сейчас сосредоточиваются на том, что произошло всего лишь через 380 ООО лет после Большого Взрыва, когда «зарево» создания впер- вые полностью осветило Вселенную. Возможно, наиболее подроб- ная картина творения была получена с помощью нового аппарата, который называется WMAP — зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона. Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона «Невероятно!», «Новая веха!» —так восклицали в феврале 2003 го- да обычно сдержанные астрофизики, описывая драгоценные данные, полученные с последнего спутника. Зонд микроволновой анизотро- пии Уилкинсона (спутник WMAP), названный в честь крупнейшего астрофизика Дэвида Уилкинсона и запущенный в 2001 году, пред- ставил ученым беспрецедентно точную и детальную картину ранней Вселенной, возраст которой не превышал 380 000 лет. Колоссальная энергия, которая вырвалась из первоначального огненного облака, давшего начало звездам и галактикам, продолжает циркулировать в нашей Вселенной уже миллиарды лет. И вот ее засняли на пленку в мельчайших деталях с помощью микроволнового анизотропного зонда Уилкинсона. Эта съемка принесла нам невиданную доселе кар- ту поразительно четкую фотографию неба, на которой можно уви- деть микроволновое излучение — результат того самого Большого Взрыва. Журнал «Times» назвал это излучение «эхом творения». И теперь астрономы всегда будут видеть небо в новом свете. Джон Бакал из Принстонского института передовых исследова- ний назвал открытия спутника WMAP своеобразным «ритуалом, сопровождающим переход космологии от предположений к точной науке». Впервые данные о раннем периоде истории Вселенной по- зволили космологам точно ответить на древнейший из когда-либо заданных вопросов — на вопрос, который озадачивал и интриговал человечество с тех самых пор, как мы впервые подняли глаза и уви- дели неземную красоту ночного неба. Каков возраст Вселенной? Каковы ее параметры? Какая судьба ее ждет? В 1992 году предыдущий спутник, СОВЕ (космический аппарат для изучения реликтового излучения), предоставил в наше распоря- жение первые размытые снимки реликтового излучения, пронизы- вающего небеса. Полученные беспрецедентные результаты вызвали и определенное разочарование, поскольку представленная картина ранней Вселенной была несфокусированной. Это не помешало прес- се возбужденно окрестить фотографию излучения «ликом Божиим». Но правильнее было бы сказать, что размытые снимки со спутника СОВЕ представляли «младенческую фотографию» Вселенной. Если посчитать сегодняшнюю Вселенную восьмидесятилетним старцем, то снимки, сделанные спутником СОВЕ (а позднее — зондом микро- волновой анизотропии Уилкинсона), фиксируют ее «новорожден- ной», когда ей и дня еще не исполнилось. Почему же зонд Уилкинсона смог предоставить нам беспреце- дентные снимки зарождающейся Вселенной? Да потому, что ночное небо подобно машине времени. Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, мы видим звезды в небе такими, какими они были когда-то, а не такими, каковы они сейчас. Расстояние от Луны до Земли свет проходит не мгновенно — ему для этого требуется секун- да с небольшим; поэтому, когда мы смотрим на Луну, в действительно- сти мы видим ее такой, какой она была секунду назад- На расстояние от Солнца до Земли световой луч затрачивает около восьми секунд. Многие из известных нам звезд настолько далеки от нас, что их све- товому лучу требуется от десяти до ста лет, чтобы достичь пределов нашей видимости. (Иными словами, они находятся на расстоянии от десяти до ста световых лет от Земли. Световой год чуть меньше деся- ти триллионов километров — именно такое расстояние свет прохо- дит за год.) Световые лучи из отдаленных галактик достигают Земли за сотни миллионов, а то и миллиарды световых лет. Таким образом, они являются источниками «ископаемого» света, при этом некото- рые из них испустили его еще до появления динозавров. Среди самых отдаленных объектов, которые мы можем наблюдать с помощью телескопов, есть так называемые квазары, гигантские «космические маяки», генерирующие невероятные количества энергии на окраи- нах видимой Вселенной. Они находятся на расстоянии 12-13 млрд световых лет от Земли. И вот сегодня зонд Уилкинсона зафиксировал еще более древнее излучение, «зарево» первоначального Взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная. Иногда космологи для описания Вселенной используют для ил- люстрации Эмпайр Стейт Билдинг, возносящийся над Манхэттеном более чем на сто этажей. С крыши небоскреба тротуары можно различить с большим трудом. Условимся, что основание небоскреба представляет собой зону Большого Взрыва. Тогда, если считать, что мы смотрим с крыши, отдаленные галактики будут находиться на де- сятом этаже. Квазары, которые еще можно рассмотреть с Земли в те- лескопы, будут на уровне седьмого этажа. А реликтовое космическое излучение, измеренное зондом Уилкинсона, поднято над уровнем тротуара на высоту всего лишь около полутора сантиметров. Таким образом, зонд Уилкинсона предоставил нам возможность вычислить возраст Вселенной поразительно точно — с погрешностью всего лишь в 1 %: 13,7 млрд лет. Запуск зонда Уилкинсона стал результатом более чем десяти- летней напряженной работы астрофизиков. Концепция спутника с зондом Уилкинсона на борту была впервые предложена НАСА в 1995 году и одобрена через два года. 30 июня 2001 года сотрудники НАСА разместили зонд Уилкинсона на борту ракеты «Дельта II» и вывели ракету на орбиту между Солнцем и Землей. Тщательно рас- считанным пунктом назначения стала вторая точка Лагранжа (или Л2, одна из точек гравитационного равновесия между Землей, Луной и Солнцем), которая обеспечивает наилучший обзор. В поле обзора спутника не попадают ни Солнце, ни Земля, ни Луна, благодаря чему зонд Уилкинсона всегда транслирует четкую картину Вселенной. Спутник полностью сканирует небо с периодичностью в шесть ме- сяцев. Спутник оснащен самой современной аппаратурой. С помощью встроенных мощных сенсоров он может уловить слабое микровол- новое излучение, оставшееся после Большого Взрыва. Это излучение омывает всю Вселенную, но наша атмосфера его в значительной мере поглощает. Спутник сделан из алюминиевого сплава. Его разме- ры — 3,8 х 5 м, вес — 840 кг. Спутник снабжен двумя телескопами, которые фокусируют микроволновое излучение из окружающего неба, а затем полученные данные передаются на Землю. Для работы спутнику необходима мощность всего лишь в 419 ватт (что равняет- ся мощности четырех-пяти стандартных электрических лампочек). Зонд Уилкинсона располагается на расстоянии 1,5 млн км от Земли, оставляя далеко за собой все атмосферные колебания, которые скры- вают слабое микроволновое излучение. Именно благодаря такому расположению спутник может непрерывно сканировать небо. Свое первое сканирование неба спутник завершил в апреле 2002 года. Через полгода было завершено и второе полное сканирование. На сегодняшний день зонд Уилкинсона предоставил нам наиболее полную и точную из всех когда-либо существовавших карту микро- волнового излучения. Существование реликтового микроволнового излучения, обнаруженного и зафиксированного зондом Уилкинсона, впервые предсказал Георгий (Джордж) Гамов со своими сотрудника- ми в 1 948 году; они также обращали внимание на то, что это излучение должно иметь собственную температуру. Зонд Уилкинсона измерил эту температуру, зафиксировав ее на уровне чуть выше абсолютного нуля, между 2,7249° и 2,725 Г по шкале Кельвина. Невооруженному глазу карта неба, отсканированная зондом Уилкинсона, не покажется интересной: мы увидим лишь беспоря- дочное скопление точек. Однако некоторые астрономы чуть не рыдали над этим скоплением точек, поскольку они представляют из себя флуктуации, или неравномерности, первоначального огнен- ного катаклизма — Большого Взрыва — сразу после возникнове- ния Вселенной. Эти крошечные флуктуации подобны «семенам», которые буйно разрослись, когда распустился «бутон» Вселенной. Сегодня из этих крошечных семян «расцвели пышным цветом» га- лактические скопления и галактики, сверкающие на небесах. Иными словами, наша Галактика Млечный Путь и все скопления галактик вокруг были когда-то этими крошечными флуктуациями. Измерив распределение этих флуктуации, мы поймем происхождение галак- тических скоплений из этих точек, вытканных на гобелене ночного неба. 
Эта фотография, сделанная спутником WMAIJ представляет «Вселенную в детстве», то есть такую, какой она была всего лишь через 380 ООО лет после своего возникновения. Каждая точка весьма правдоподобно представляет крошечную квантовую флуктуацию, неравномерность в зареве творения. Все они в результате расширения превратились в галактики и галактические скопления, которые мы наблюдаем сегодня. Сегодня ученые в выдвижении новых теорий не поспевают за потопом поступающих астрономических данных. В общем, я бы не согласился с тем, что наступает золотой век космологии. (Как ни впечатляет зонд Уилкинсона, достижения его покажутся не такими уж значительными по сравнению со спутником «Планк», который европейцы собираются запустить в 2007 году. «Планк», как надеют- ся астрономы, даст нам еще более точные картины микроволнового реликтового излучения.) Однако мы вполне можем сказать, что кос- мология наконец вступает в период зрелости. После многолетнего прозябания в болоте предположений и фантастических гипотез она выходит из тени точных наук. Исторически так сложилось, что космологи пользовались несколько подмоченной репутацией. Ошеломляющая страстность, с которой они излагали свои гранди- озные теории о возникновении Вселенной, была сравнима со столь же ошеломляющей бедностью их данных. Недаром нобелевский лауреат Лев Ландау саркастически отмечал, что «космологи часто ужасаются, но никогда не сомневаются». Среди ученых-естествен- ников популярна старая поговорка: «Есть предположения, дальше идут предположения о предположениях, а еще дальше — космоло- гия». В бытность мою студентом-физиком в Гарварде в конце 1960-х годов я некоторое время лелеял мысль заняться космологией — меня с детства волновал вопрос о происхождении Вселенной. Однако знакомство с этой наукой показало ее постыдную примитивность. Это была вовсе не та экспериментальная наука, где можно проверять гипотезы при помощи точных приборов, а скорее груда неопреде- ленных и в высшей степени недоказательных теорий. Космологи вели жаркие дискуссии о том, возникла ли Вселенная в результате космического взрыва или же она всегда пребывала в устойчивом со- стоянии. Но теорий у них всегда было намного больше, чем данных. Так оно всегда: чем меньше данных, тем жарче споры. На протяжении всей истории космологии эта нехватка досто- верных данных приводила к жестоким войнам между астрономами, затягивавшимся иногда на десятилетия. (В частности, на некоем на- учном форуме непосредственно перед тем, как Аллан Сэндидж из обсерватории Маунт Уилсон должен был выступить с докладом о возрасте Вселенной, предыдущий оратор объявил с сарказмом: «Все, что вы сейчас услышите, — вранье». А сам Сэндидж, прослышав о том, что группа ученых-соперников добилась определенного успеха, прорычал: « Это все полная чушь. Война так война!») Возраст Вселенной Особенно интересовал астрономов вопрос, каков же истинный возраст Вселенной. На протяжении столетий ученые, философы и теологи пытались определить его хотя бы приблизительно, пользуясь единственным доступным им методом — генеалогией человечества со времен Адама и Евы. В прошлом веке геологи использовали ре- ликтовое излучение, которое наблюдается в скалах, для получения наиболее точных данных о возрасте Земли. В свою очередь, зонд ми- кроволновой анизотропии Уилкинсона измерил сегодня эхо самого Большого Взрыва, дав нам наиболее надежные данные о возрасте Вселенной. Данные зонда Уилкинсона показывают, что Вселенная возникла в результате Взрыва, который произошел 13,7 млрд лет тому назад. (В течение многих лет одним из наиболее скользких моментов, неотступно преследующим космологию, было то, что вычисленный возраст Вселенной часто оказывался меньше возраста отдельных планет и звезд. Причиной тому были ошибки в исходных данных. Предыдущие расчеты возраста Вселенной давали ей от 1 до 2 млрд лет, что противоречило принятому возрасту Земли (4-5 млрд лет) и «старейших» звезд (12 млрд лет). Теперь эти противоречия устра- нены.) Данные зонда Уилкинсона стали причиной крутого поворота в споре о том, из чего состоит Вселенная, в вопросе, которым задава- лись еще греки более двух тысячелетий тому назад. На протяжении всего XX века считалось, что ответ на этот вопрос известен. Проведя тысячи скрупулезных экспериментов, ученые пришли к выводу, что Вселенная в основном состоит примерно из сотни различных эле- ментов, выстроенных в аккуратную периодическую таблицу, начи- нающуюся с водорода. Эта таблица — основа современной химии, и, фактически, ее изучают в каждой средней школе. Зонд Уилкинсона разрушил эти представления. Подтверждая ранее проведенные эксперименты, зонд Уилкинсона показал, что вся видимая материя вокруг нас (включая горы, планеты, звезды и галактики) составляет ничтожную часть (4 96) всей материи и энергии во Вселенной. (Большую часть этих 4 % составляют водо- род и гелий, и только где-то около 0,03 % — тяжелые элементы.) Но подавляющая часть Вселенной состоит из загадочного невидимого вещества абсолютно неизвестного происхождения. Известные эле- менты, из которых состоит наш мир, составляют во Вселенной лишь 0,03 %. В каком-то смысле наука отброшена на века назад, во времена, когда еще не было атомической гипотезы, поскольку физики споткну- лись на факте, что во Вселенной преобладают принципиально новые, неизвестные науке формы материи и энергии. Согласно данным зонда Уилкинсона, Вселенная на 23 % состоит из неизвестной, неопределенной субстанции, так называемой «тем- ной материи». Она обладает весом и окружает галактики гигантским ореолом, который нам невидим. «Темная материя» настолько везде- суща и ее так много, что в нашей Галактике Млечный Путь она весит в 10 раз больше, чем все звезды вместе взятые. Несмотря на невиди- мость этой неизвестной материи, ученые, используя метод непрямо- го наблюдения, смогли ее «увидеть»: «темная материя» искривляет звездный свет подобно стеклу, и поэтому ее можно обнаружить по степени создаваемого оптического искажения. По поводу удивительных результатов, полученных со спутника WMAP, астроном из Принстона Джон Бакал заявил: «Мы живем в невероятной, просто сумасшедшей Вселенной, но теперь нам извест- ны ее определяющие характеристики». Однако, наверное, самым большим сюрпризом из данных, по- лученных спутником WMAP и потрясших все научное сообщество, стал факт, что 73 % Вселенной, ее большая часть, состоит из абсолют- но неизвестной формы энергии, называемой «темной энергией», или невидимой энергией, таящейся в вакуумном пространстве. Введенное самим Эйнштейном в 1917 году, а затем отброшенное (великий физик назвал его своей «величайшей ошибкой») поня- тие «темная энергия», она же энергия пустоты, пустого космоса, теперь снова выходит на авансцену как движущая сила Вселенной. Ученые считают, что «темная энергия» создает антигравитационное поле, которое тянет галактики в разные стороны, и конечная судьба Вселенной будет определяться именно «темной энергией». На данный момент никто и представить не может, откуда взялась эта «энергия пустоты». «Откровенно говоря, мы этого просто не понимаем. Нам извест- но ее воздействие, но у нас нет ключа к разгадке... ни у кого нет ни еди- ного ключа», — признает Крейг Хоган, астроном из Университета им. Дж. Вашингтона в Сиэтле. Если взять новейшую теорию субатомных частиц и попытаться вычислить значение этой «темной энергии», мы получим число, которое отклоняется от нормы на 10120 (это единица, за которой следуют 120 нулей). Такое расхождение между теорией и экспери- ментом — величайший за всю историю пробел в науке. Это одно из наших непреодолимых (по крайней мере, в настоящее время) препятствий — даже с помощью лучшей из наших теорий мы не можем вычислить значение величайшего источника энергии во всей Вселенной. Безусловно, целая куча Нобелевских премий ожидает предприимчивых ученых, которые смогут раскрыть тайны «темной энергии» и «темной материи». Расширение Астрономы до сих пор пытаются справиться с лавиной данных, при- несенных спутником WMAP. По мере того как эта лавина сметает устаревшие концепции Вселенной, в космологии вырисовывается новая картинка. «Мы заложили фундамент единой, непротиворечивой теории космоса», — заявляет Чарльз Л. Беннетт, руководитель международ- ной команды, принимавшей участие в обработке и анализе данных со спутника WMAP. На данный момент ведущей теорией является «инфляционная теория Вселенной», то есть усовершенствованная теория Большого Взрыва, впервые предложенная Аланом Гутом* из Массачусетского технологического института. По инфляционной теории, в первую триллионную долю секунды загадочная антигравитационная сила вынудила Вселенную расширяться намного быстрее, чем считалось раньше. Инфляционный период был невообразимо взрывным, при этом Вселенная расширялась со скоростью, намного превышающей скорость света. (Это не противоречит заявлению Эйнштейна, что «ничто» может перемещаться быстрее света**, поскольку расширя- ется пустое пространство. Что же касается материальных объектов, то они не могут перескочить световой барьер.) Итак, за ничтожную долю секунды Вселенная невообразимо расширилась — в 10S0 раз. * Его фамилию (Guth) часто также транскрибируют как «Гус». — Здесь и далее прим. ред., если не указано иначе. ** Хотя общепринятый перевод этого высказывания Эйнштейна — «Ничто не может перемещаться быстрее света», в данном контексте адекватен именно вышеуказанный дословный перевод, поскольку автор таким образом обыгрывает это высказывание, приравнивая «ничто» к пустому пространству. Чтобы вообразить себе интенсивность инфляционного периода (или инфляционной эпохи), представьте себе воздушный шарик с нарисованными на его поверхности галактиками, который быстро надувают. Видимая Вселенная, заполненная звездами и галактиками, лежит на поверхности воздушного шарика, а не внутри его. Теперь поставьте на шарике микроскопическую точку. Эта точка и есть ви- димая Вселенная, то есть все, что мы можем наблюдать при помощи наших телескопов. (Для сравнения: если бы видимая Вселенная была размером с субатомную частицу, то вся Вселенная была бы намного больше той реальной видимой Вселенной, которую мы наблюдаем.) Иными словами, инфляционное расширение было настолько интен- сивным, что теперь существуют целые области Вселенной вне нашей видимой, которые так навсегда и останутся для нас за пределами видимости. Расширение Вселенной было таким интенсивным, что при взгля- де на описанный шарик с близкого расстояния он кажется плоским. Этот факт был экспериментально проверен спутником WMAP. Как и Земля кажется нам плоской, потому что мы очень малы по сравнению с ее радиусом, так и Вселенная кажется нам плоской лишь потому, что она изогнута в гораздо большем масштабе. Допустив раннее инфляционное расширение, можно без особых усилий объяснить многие загадки Вселенной, как, например, то, что она кажется плоской и однородной. Характеризуя инфляционную теорию, физик Джоэл Примак сказал: «Из таких прекрасных теорий еще ни одна не оказывалась ошибочной». Мультивселенная Несмотря на то что инфляционная теория согласуется с данными зон- да Уилкинсона, она все же не отвечает на вопрос: что стало причиной расширения? Что побудило к действию антигравитационную силу, которая «раздула» всю Вселенную? Существует более 50 теорий о том, что стало причиной начала и окончания расширения Вселенной, в результате чего и возникла наша Вселенная. Но единого мнения не существует. Большинство физиков соглашается с основной идеей о стремительном инфляционном периоде, но решающего ответа на во- прос о механизме расширения Вселенной пока не существует. Поскольку никто точно не знает, почему началось расшире- ние, вполне вероятно, что подобное событие может снова иметь место — то есть, что инфляционные взрывы могут повторяться. Эта теория была предложена русским физиком Андреем Линде из Стэнфордского университета. Она утверждает, что, какой бы меха- низм ни послужил причиной внезапного расширения Вселенной, он постоянно находится в действии, заставляя беспорядочно расши- ряться другие, отдаленные области Вселенной. И тогда крошечный участок Вселенной может внезапно рас- шириться и «образовать почку», пустить побег «дочерней» все- ленной, от которой, в свою очередь, может отпочковаться новая дочерняя вселенная; при этом процесс «почкования» продолжается беспрерывно. Представьте, что вы пускаете мыльные пузыри. Если дуть достаточно сильно, то можно увидеть, как некоторые из них делятся, образуя новые, «дочерние» пузыри. Подобным образом одни вселенные могут постоянно давать начало другим вселенным. Согласно этому сценарию, Большие Взрывы происходили все время, происходят и сейчас. Если это верно, то, возможно, мы плаваем в море таких вселенных, словно пузырек, покачивающийся в океане среди других пузырьков. По сути, более подходящим словом будет не «Вселенная» (Универсум), а «Мультивселенная» (Мультиверсум). Линде называет свою теорию вечным, самовоспроизводящимся расширением, или «хаотическим расширением», поскольку он под- разумевает непрекращающийся процесс постоянного расширения параллельных вселенных. «Расширение заставляет нас предполагать существование много- численных вселенных», — говорит Алан Гут, впервые предложив- ший инфляционную теорию. Эта теория также предполагает, что от нашей Вселенной, воз- можно, когда-нибудь отпочкуется собственная дочерняя вселенная. Возможно, и наша собственная Вселенная обрела свое существова- ние, отпочковавшись от более древней, более ранней вселенной. По словам главы Королевского астрономического общества Великобритании сэра Мартина Риса, «то, что традиционно называ- лось «Вселенная», может быть лишь частью целого ансамбля. Может существовать бесконечное множество других областей Вселенной, где действуют иные законы. Вселенная, в которой мы появились, принадлежит к необычному подмножеству, которое позволяет раз- виваться сложным формам и сознанию». Исследования в области Мультивселенной вызвали дискуссии о том, как выглядят другие вселенные, обитаемы ли они и даже воз- можен ли с ними контакт. Ученые Калифорнийского технологиче- ского института, Массачусетского технологического университета, Принстонского университета, а также других научных центров сде- лали расчеты для решения вопроса, не противоречит ли законам фи- зики множественность Вселенных и возможность их достижения. 
Появляется все больше теоретических доказательств в поддержку существования Мультивселенной, где целые вселенные могут отпочковываться или «распускать бутоны» из других Вселенных. Если теория подтвердится, то она объединит две величайшие религиозные мифологии: возникновение мира и Нирвану. Тогда возникновение мира происходило бы непрерывно в безвременной Нирване. М-теория и 11-е измерение Сама идея параллельных вселенных когда-то рассматривалась учены- ми с изрядной долей подозрения и считалась областью деятельности мистиков, шарлатанов и больших оригиналов. Каждый ученый, осме- ливавшийся работать в области изучения параллельных вселенных, подвергался насмешкам, даже рисковал своей карьерой, поскольку вплоть до сегодняшнего дня не существует экспериментального под- тверждения существования параллельных вселенных. Но в последнее время произошел серьезный прорыв в исследо- ваниях, и теперь лучшие умы планеты интенсивно работают именно в этом направлении. Причиной столь внезапного поворота стало появление новой струнной теории и ее последней версии, М-теории, которая не только сулит раскрыть природу Мультивселенной, но также обещает возможность воочию «увидеть Божий замысел», как когда-то красноречиво выразился Эйнштейн. Если теория окажет- ся верной, то это будет главным достижением науки за последние 2000 лет, с тех самых пор, как древние греки начали поиски единой связной и целостной теории Вселенной. Количество опубликованных работ в области струнной теории, М-теории, впечатляет — они исчисляются десятками тысяч. Этой теме были посвящены сотни международных конференций. В каждом университете мира либо есть группа, занимающаяся разработкой струнной теории, либо делаются отчаянные попытки ее изучения. Хотя теорию и не проверить при помощи наших несовершенных со- временных приборов, она вызвала живейший интерес математиков, физиков-теоретиков и даже экспериментаторов, которые надеются протестировать периферию Вселенной (конечно, в будущем) при по- мощи тонких детекторов гравитационных волн открытого космоса и мощных ускорителей частиц. В конечном счете эта теория, возможно, ответит на вопрос, который волновал космологов с тех самых пор, как впервые была высказана идея Большого Взрыва: а что произошло после Большого Взрыва? Для решения такой задачи нам потребуется весь потенциал на- ших знаний в области физики, анализ всех физических открытий, накопленных за века исследований. Иными словами, нам нужна «теория всего», единая теория всех физических сил, действующих во Вселенной. Эйнштейн потратил последние тридцать лет своей жизни, пытаясь создать эту теорию, но ему это не удалось. На сегодняшний день главной (и, собственно, единственной) теорией, которая может объяснить все многообразие сил, организу- ющих Вселенную, является струнная теория, особенно ее последнее воплощение — М-теория. («М» означает «мембрана», но может также означать «загадка» (от англ. mystery — тайна, загадка, голово- ломка), «магия» и даже «мать». Хотя, по существу, струнная теория и М-теория идентичны, М-теория представляет собой более зага- дочную и значительно более сложную структуру, объединяющую различные «струнные теории».) Еще древнегреческие философы предполагали, что все во Вселенной может состоять из крошечных частиц, называемых атома- ми. Сегодня же, используя мощные ускорители заряженных частиц, мы можем расщепить атом на электроны и ядро, которые, в свою оче- редь, могут быть расщеплены на еще более мелкие субатомные части- цы. Но вместо открытия стройной и простой системы ученые стали свидетелями угнетающего факта: из ускорителей вылетают сотни субатомных частиц со странными названиями, такими, как нейтрино, кварки, мезоны, лептоны, адроны, глюоны, бозоны и прочие. Трудно поверить, что природа на уровне выстраивания фундамента смогла создать целые джунгли странных атомных частиц, среди которых можно просто заблудиться. В основе струнной теории и М-теории лежит идея о том, что удивительное разнообразие субатомных частиц, составляющих Вселенную, подобно нотам, по которым можно сыграть мелодию на скрипичной струне, или на мембране, натянутой, скажем, как кожа барабана. (Это не совсем обычные струны и мембраны; они суще- ствуют в десяти- и одиннадцатимерном гиперпространстве.) Традиционно физики рассматривали электроны как бесконечно малые точечные частицы. Это означало, что им приходилось вводить свою точку для каждой из обнаруженных субатомных частиц, что очень сбивало с толку. Но струнная теория говорит, что, если бы у нас был супермикроскоп, который позволял бы заглянуть вглубь электрона, мы бы увидели, что это никакая не точечная частица, а крошечная вибрирующая струна. Она лишь кажется нам точечной частицей, поскольку наши приборы слишком несовершенны. Эта струна вибрирует с различной частотой и различным ре- зонансом. Если бы мы задели струну, то частота ее вибраций из- менилась бы и она превратилась бы в другую субатомную частицу, например в кварк. Тронь ее опять, и она превращается в нейтрино. Таким образом, мы можем объяснить «метель» субатомных частиц различными по высоте звуками вибрирующей струны. И теперь мы можем считать сотни субатомных частиц, наблюдаемых в лаборато- рии, одним объектом — струной. В такой терминологии законы физики, тщательно обоснованные тысячелетними экспериментами, являются не чем иным, как зако- нами гармонии, которые справедливы для струн и мембран. Законы химии — это мелодии, которые можно сыграть на этих струнах. Вся Вселенная представляет из себя божественную симфонию для «струнного оркестра». А «Замысел Божий», о котором столь красноречиво говорил Эйнштейн, — это космическая музыка, ре- зонирующая сквозь гиперпространство. (Возникает вопрос: если Вселенная — это симфония для струнного оркестра, то кто ее автор? Я вернусь к этому вопросу в главе 12.)
Конец Вселенной Зонд Уилкинсона не только дал возможность увидеть подробней- ший портрет юной Вселенной, он также открыл нам впечатляющую картину того, как наша Вселенная умрет. Та же самая загадочная антигравитационная сила, оттолкнувшая (растащившая) галактики друг от друга в начале времен, теперь толкает Вселенную навстречу судьбе. Раньше астрономы считали, что расширение Вселенной по- степенно замедляется. Теперь мы понимаем, что на самом деле дви- жение Вселенной ускоряется и галактики мчатся от нас прочь со все возрастающими скоростями. «Вселенная ведет себя, как водитель, притормаживающий на красный сигнал светофора и затем газующий на зеленый», — утверждает Адам Рис из Института космического телескопа. Если какой-либо катаклизм не обратит процесс расширения вспять, то через 150 млрд лет наша Галактика Млечный Путь окажет- ся довольно одинокой: 99,999 % близлежащих галактик «улетят» за пределы видимой Вселенной. Знакомые галактики, которые мы мо- жем наблюдать в ночном небе, умчатся прочь с такой скоростью, что их свет никогда не достигнет нас тогдашних. Сами галактики не ис- чезнут, но окажутся слишком далеко, чтобы мы могли наблюдать их в свои телескопы. Хотя сейчас в видимой Вселенной содержится около 100 млрд галактик, «всего» через 150 млрд лет видимыми останутся лишь несколько тысяч в близлежащем скоплении галактик. Еще через некоторое время вся видимая Вселенная будет ограничена группой, состоящей из 36 галактик, в то время как миллиарды и миллиарды других галактик исчезнут за «горизонтом». Такой вариант развития событий объясняется тем, что гравитация в пределах этой местной группы достаточно сильна для того, чтобы преодолеть силы разбега- ния. Ирония состоит в том, что, когда отдаленные галактики исчезнут из поля зрения, любой астроном из будущей «темной эпохи» будет не в состоянии вообще заметить расширение Вселенной, поскольку местная группа галактик не расширяется. Астрономы сверхдалекого будущего — если такие будут и займутся исследованием ночного неба — вряд ли поймут, что Вселенная расширяется; скорее они придут к заключению, что Вселенная статична и состоит всего лишь из 36 галактик. Если эти силы антигравитации будут и дальше действовать в том же духе, то Вселенная в конце концов погибнет от холода. Вся разумная жизнь на планете, замерзая, будет биться в мучительной агонии, по- скольку температура дальнего космоса близка к абсолютному нулю, а при такой температуре даже молекулы еле «шевелятся». В какой-то момент, спустя триллионы триллионов лет, звезды перестанут ис- пускать свет, ихядерный реактор погаснет, израсходовав все топливо, и Вселенная погрузится в вечную ночь. Космическое расширение приведет к тому, что останется лишь холодная мертвая Вселенная, состоящая из черных звезд-карликов, нейтронных звезд и черных дыр. А в еще более далеком будущем даже черные дыры отдадут всю свою энергию, останется лишь безжизненная холодная туманность парящих элементарных частиц. В такой блеклой холодной Вселенной разумная жизнь физически невозможна в принципе. Железные за- коны термодинамики пресекут любую передачу информации в этой ледяной среде, и вся жизнь, вне всяких сомнений, прекратится. В XVIII веке люди впервые осознали, что Вселенная может по- гибнуть от холода. Комментируя гнетущую концепцию о том, что законы физики, по-видимому, обрекают на смерть всю разумную жизнь, Чарльз Дарвин писал: «Та вера, которую я питаю в то, что человек в далеком будущем будет намного более совершенным су- ществом, делает невыносимой даже саму мысль о том, что он и все сознательные существа обречены на полное вымирание после такого продолжительного медленного прогресса». К несчастью, последние данные спутника WMAP, видимо, подтверждают самые худшие опа- сения Дарвина. Побег в гиперпространство Существует закон физики, согласно которому разумная жизнь во Вселенной в конце концов непременно погибнет. Но существует и закон эволюции, согласно которому при изменении окружаю- щей среды жизнь должна либо покинуть ее, либо адаптироваться к ней, либо погибнуть. Поскольку адаптироваться ко Вселенной, несущей ледяную смерть, невозможно, то остаются лишь два вари- анта — либо умереть, либо покинуть эту Вселенную. Возможно ли, что, столкнувшись лицом клицу с неотвратимой смертью Вселенной, цивилизации, отстоящие от нас на триллионы лет, достигнут успеха в разработке технологий, которые позволят покинуть нашу Вселенную и на суперкосмической «спасательной шлюпке» отправиться в дру- гую вселенную, намного более молодую и «горячую»? Или же они используют свои высочайшие технологии для построения «времен- ного кольца» и отправятся в свое прошлое, в котором температура на планетах была намного выше? Некоторые физики, привлекая новейшие достижения науки, построили несколько правдоподобных, хотя и в высшей степени гипотетических схем, которые должны подтвердить реальность соз- дания космических порталов или ворот в другую вселенную. Доски физических аудиторий по всему миру испещрены абстрактными уравнениями: физики вычисляют, возможно ли использование «эк- зотической энергии» и черных дыр для поисков туннеля, ведущего в другую вселенную. Может ли развитая цивилизация, по техноло- гическим разработкам обгоняющая нашу на миллионы и миллиарды лет, воспользоваться известными законами физики для перехода в другую вселенную? Космолог Стивен Хокинг из Кембриджского университета од- нажды пошутил: «Если бы пространственно-временные туннели существовали, они были бы идеальным средством быстрого пере- мещения в Космосе. Можно было бы с утра пройти таким туннелем в другой конец галактики и вернуться к обеду». Если же пространственно-временные туннели и порталы ока- жутся слишком тесными для массового переселения в другую все- ленную, то есть еще один вариант: свести все информационное со- держание развитой разумной цивилизации до молекулярного уровня и пропустить через туннель, а там оно снова организуется в самое себя. Таким образом, целая цивилизация сможет перенести свои «се- мена» через этот коридор и на новой почве снова расцвести во всей своей красе. Гиперпространство перестанет быть игрушкой в руках физиков-теоретиков и вполне сможет стать единственным спасени- ем для разумной жизни, оказавшейся в умирающей вселенной. Но для того, чтобы полностью разобраться в последствиях подобного шага, для начала необходимо понять, как мучительно космологи и физики шли к этим поразительным выводам. В книге «Параллельные миры» мы рассмотрим историю космологии, уделяя особое внимание парадоксам, веками наводнявшим эту область на- уки. В конце концов они породили инфляционную теорию, которая, не противореча никаким экспериментальным данным, заставляет нас поддержать концепцию существования многочисленных вселенных. жүктеу/скачать 2.74 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|