Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную

Как понял Ньютон, траектории планет управляются равновесием между действием силы тяготения, которая тянет их вовнутрь, и центробежным эффектом их движения. Орбиты в Солнечной системе стабильны в том смысле, что небольшие изменения скорости планеты изменяют ее орбиту очень незначительно. Но эта стабильность исчезнет, если тяготение не будет опираться на закон обратных квадратов, а начнет следовать закону обратных кубов (или закону с еще более круто наклоненным графиком зависимости). Тогда, если движущаяся по орбите планета хоть чуть-чуть замедлится, она не просто перейдет на чуть меньшую орбиту, а ее затянет прямо в Солнце, потому что сила по закону обратных кубов резко возрастает по направлению к центру. Напротив, если идущая по орбите планета чуть-чуть ускорится, она быстро уйдет по спирали во внешнюю темноту.

Английский философ XVIII в. Уильям Пейли знаменит своим доводом о том, что видимое строение нашей Вселенной подразумевает существование Творца точно так же, как часовой механизм подразумевает часовщика. В Кембридже Пейли получил достаточно хорошую подготовку в области математики, чтобы оценить эту тайную черту закона обратных квадратов и включить ее в свою защиту довода о Творце всего сущего. Большинство из его «доказательств творения» происходили из биологии и были опровергнуты даже теологами в постдарвиновскую эпоху. Впечатляющие адаптивные возможности глаз, конечностей и т. д. являются результатом естественного отбора, симбиоза между живыми организмами и средой их обитания. Довод Пейли о том, что закон обратных квадратов особенно подтверждает высшую благодать, сейчас кажется одним из самых здравых: нет никаких следов естественного отбора в выборе любимого закона действия сил, и ничто не могло воздействовать на Вселенную так, чтобы его изменить. Пейли писал более чем за 100 лет до того, как стало понятно, что атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронов, вращающихся вокруг него; иначе он смог бы укрепить свою позицию, заметив, что по подобным причинам атомы были бы невозможны во Вселенной, управляемой законом обратных кубов, потому что в ней не было бы стабильных орбит у электронов.

Таким образом, если количество пространственных измерений превышает три, возникает проблема. Могли бы мы жить в мире, где их меньше чем три? Лучший довод здесь – самый простой: во «Флатландии»[40] (или, на самом деле, на любой двухмерной поверхности) существуют принципиальные ограничения сложных структур. Невозможно создать компьютерную сеть без перекрестных соединений, и точно так же ни у какого объекта не может быть сквозного канала (например, представим себе пищеварительный тракт) без двух сторон. А в одномерном «Линейноземье» ограничения будут еще жестче.

Это только самые очевидные причины – а математики нашли и другие – того, почему мы не должны удивляться, что живем в трехмерном пространстве.

ВРЕМЯ И ЕГО СТРЕЛА

Время, конечно, является четвертым измерением, которое мы можем ощутить на себе. Чтобы обозначить событие, нам нужно четыре числа: три пространственные координаты, чтобы описать, где оно произошло, и четвертая, которая сообщает, когда оно случилось. Одно из граффити неизвестного автора гласит: «Время – это способ природы сделать так, чтобы все не происходило одновременно». Как бы то ни было, события разворачиваются вереницей вдоль дорог, веховыми столбами на которых служат стрелки часов. Но время отличается от других трех измерений, поскольку, по всей видимости, по нему мы можем двигаться только в одном направлении – «вперед», тогда как в трех других мы можем пойти в любом направлении (на восток, на запад, на север или на юг; вверх или вниз). Таким образом, нашу Вселенную лучше всего описывать как имеющую 3+1 измерения. Согласно учению Эйнштейна, пространство и время связаны и скорость, с которой идет время, «эластична», зависит от того, не находится ли владелец часов около большой массы. Но в идеях Эйнштейна сохраняется различие между пространством и временем – между тем, что находится вокруг нас, и тем, что лежит в прошлом или будущем.

«Стрела времени» настойчиво движется из прошлого в будущее. Кадры, где сняты повседневные события, смотрятся совершенно иначе, если прокрутить их задом наперед. Причина и следствие меняются местами: разбитые осколки стекла и капли жидкости выглядят так, будто целенаправленно торопятся собраться в бокал с вином. Пар, вырывающийся из чайника, конденсируется в воду. В ироническом романе Мартина Эмиса «Стрела времени»[41], где время перевернуто, нью-йоркские таксисты «платят тебе вперед и ни о чем не спрашивают… Неудивительно, что мы потом стоим по нескольку часов, прощально махая или салютуя – отдавая должные почести такому прекрасному сервису».

Асимметрия между прошлым и будущим настолько прочно укоренилась в нашем сознании, что лишь немногие, не считая некоторых философствующих физиков, останавливаются, чтобы поразмыслить о загадках, которые она ставит перед нами. Она приводит в замешательство, потому что в основные законы, управляющие микромиром, подобная асимметрия не встроена. Мир меняется безвозвратно, хотя лежащие в его основе законы безразличны к прошлому и будущему. Кадры, на которых заснято одно-единственное столкновение двух бильярдных шаров, будут выглядеть более-менее одинаково независимо от того, прокручивают их вперед или назад, но запись всех столкновений в игре отчетливо отображает «стрелу времени». Подобным же образом наш мир выглядит направленным по определенному пути.

Мы пойманы в ловушку времени, но можем достигнуть более ясного понимания, если посмотрим с воображаемой точки зрения, находящейся «вне времени», как существа из «Сирен Титана»[42] Курта Воннегута, которые воспринимали людей как «великих многоножек, на одном конце которых – ноги младенцев, а на другом – ноги стариков». Тогда наша Вселенная будет казаться статической четырехмерной сущностью – «застывшей вселенной»: «мировые линии» повседневных предметов будут менее организованы на одном конце (который мы называем будущим) по сравнению с другим (который мы называем прошлым). Но по-настоящему трудно объяснить, почему вообще существует какое-то «упорядоченное» состояние. Если на одном конце длинной струны завязан какой-то необыкновенный узор, мы будем одинаково удивлены, завязан ли он на левом конце или на правом. Подобным же образом в «застывшей вселенной», где будущее, по всей видимости, существует на равных основаниях с прошлым, мы не должны сильнее (или меньше) удивляться, обнаружив упорядоченность на старте, а не на финише.

Когда мы говорим о расширении Вселенной, мы, конечно, подразумеваем «стрелу времени» и то, что мы можем упорядочить отдельные кадры в фильм (или трехмерные слои в нашей «застывшей вселенной»), поэтому Вселенная сильнее разрежена в тех временах, которые мы определяем как «позже».

Асимметрия во времени может быть связана с расширением Вселенной. В связи с этим я уже писал в главе 8, как во время расширения тяготение усиливает первоначальные неравномерности в плотности, позволив структурам проявиться из огненного шара, который начал свое существование без заметных отличительных черт. На ранних этапах эта асимметрия не будет проявляться на местах, поскольку в то время плотность была так высока, что микроскопические процессы – столкновения частиц, излучение и поглощение фотонов и т. д. – происходили очень быстро по сравнению со скоростью расширения. В каждое мгновение все будет находиться в состоянии равновесия. Вещество не хранит никакой памяти о том, было оно ранее менее или более плотным, никакого следа не остается и на направлении течения времени. Но когда Вселенная становится более разреженной, эти реакции идут медленнее, и тогда расширение имеет огромное значение.

Например, если бы наша Вселенная долго оставалась при температуре миллиард градусов или ядерные реакции протекали быстрее, все атомы превратились бы в железо. К счастью, расширение было достаточно быстрым, чтобы прервать ядерные реакции до того, как они смогли зайти дальше превращения 23 % водорода в гелий. Это яркий пример того, как космическое расширение создает такие отклонения от равновесия, что происходит далеко не то же самое, что происходило бы в сжимающейся вселенной.

Как первым отметил академик Сахаров, само наше существование зависит от необратимого эффекта, который установил превосходство вещества над антивеществом на очень раннем этапе развития Вселенной. Если бы этого не произошло, вся материя аннигилировала бы с равным количеством антиматерии, оставив Вселенную вовсе без атомов. Тогда не было бы звезд, а также никаких химических процессов, которые позволили бы появиться сложным структурам.

Время все еще задает загадки, для которых нет абсолютно никакого решения. Физик Джулиан Барбур провел неофициальный опрос специалистов, задав им вопрос: «Считаете ли вы, что время в самом деле является фундаментальным принципом, или его можно вывести из более простых понятий (например, так, как температура предмета выводится из хаотичного движения атомов, из которых предмет состоит)?» Ответы разделились достаточно явно, однако с небольшим перевесом большинство поддержало точку зрения о том, что время в конце концов объяснят через призму чего-то более глубокого.

СВЕРНУТЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В БОЛЬШИХ МАСШТАБАХ

Несомненно, пространство и время имеют сложную структуру. Мы знаем, что космос пронизан черными дырами, в которых пространство и время переплетены, их в нашей Галактике миллионы, а те, что расположены в центрах галактик, имеют гигантские размеры. Но эти сложные структуры ограничены районами, которые с космологической точки зрения можно назвать «местными». Почти полная однородность нашей Вселенной в масштабах сверхскоплений предполагает, что геометрия пространства является простой и гладкой в пределах нашего сегодняшнего поля зрения. О том же говорит тот факт, что реликтовое излучение имеет практически одну и ту же температуру на всем небе.

Расположенные к математике специалисты по космологии тем не менее задаются вопросом о том, не является ли эта простота иллюзией: возможно, мы в действительности видим один и тот же участок пространства, как в коридоре с зеркальными стенами или калейдоскопе, а на самом деле пространство свернуто или имеет какую-то сотовую структуру. Если бы мы в самом деле находились в такой странной вселенной, размер каждой соты должен был составлять по крайней мере несколько процентов прямой видимости (другими словами, иметь более нескольких сот миллионов св. лет в поперечнике). Мы знаем это, потому что, если ячейки будут меньше, мы будем видеть, как повторяются такие характерные структуры, как скопление галактик в созвездии Девы. Более жесткие ограничения появились после измерения маленьких неоднородностей в температуре реликтового излучения по всему небу. В них нет никакой регулярной структуры, поэтому теперь мы можем смело отбросить размер ячейки меньший, чем наш предел видимости.

О том, что находится за пределом видимости, установленным конечной скоростью света, наблюдения могут сказать нам немногое. Пространство может быть сложным образом свернуто в масштабах, намного превышающих 10 млрд св. лет. Могут даже быть изменения и в количестве измерений. Но мы никогда не получим ничего, кроме косвенных данных, о том, что происходит за пределом видимости любого телескопа.

А что же насчет очень маленьких масштабов? Здесь наши простые понятия, конечно, несостоятельны. В самом деле, возможно, нам придется схватиться с очень сложными понятиями, которые включают в себя и дополнительные измерения пространства, чтобы правильно понять частицы, силы и наши космические числа.

МИКРОСТРУКТУРА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ: КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ