Книга: Наша математическая вселенная

Насколько велика наша физическая реальность?

Насколько велика наша физическая реальность?

Я горжусь тем, дорогой читатель, что вы остались со мной до последней главы. Мы проделали долгий путь от сверхгалактического макрокосма до субатомного микрокосма, встретившись с реальностью более величественной, чем я мог себе представить в детских мечтах, — реальностью с четырьмя уровнями параллельных вселенных.

Моё представление о том, как всё это связано, отражено на рис. 13.1. В первой части книги мы занимались вопросом, насколько велико всё сущее, и исследовали крупные масштабы. Мы живём на планете в галактике в такой вселенной, которая, как я полагаю, располагается в полном двойников мультиверсе I уровня, входящем в более разнообразный мультиверс II уровня в квантово-механическом мультиверсе III уровня из мультиверса IV уровня, содержащего все математические структуры. Во второй части мы задавались вопросом, из чего всё состоит, и исследовали всё меньшие масштабы. Мы сложены из клеток, состоящих из молекул, состоящих из атомов, состоящих из элементарных частиц — а те являются чисто математическими структурами в том смысле, что все свойства, которыми они обладают, являются математическими. Хотя мы пока не знаем, из чего состоят эти частицы (если они вообще из чего-то состоят), теория струн и её основные конкуренты предполагают, что любые более мелкие «строительные блоки» также являются чисто математическими. В этом смысле две наши интеллектуальные экспедиции, хотя и были отправлены в противоположных направлениях — к очень большому и очень малому, — привели к одному и тому же месту: к царству математических структур. Хотя говорят, что все дороги ведут в Рим, обе дороги к реальности привели к математике. Это элегантное слияние отражает тот факт, что одна математическая структура может содержать другие, объясняя все открытые физикой математические закономерности как проявления или приближённые свойства величественной математической структуры, которая являет собой нашу внешнюю реальность. На самых больших и самых малых масштабах математическая природа реальности очевидна, тогда как на промежуточных масштабах, с которыми люди обычно имеют дело, её трудно заметить.[92]

Рис. 13.1. Когда мы спрашиваем, из чего всё состоит, и изучаем всё меньшие масштабы, то обнаруживаем, что мельчайшие «строительные блоки» материи — это математические структуры: объекты, свойства которых являются математическими. Когда мы спрашиваем, насколько велико всё сущее, и переходим к всё большим масштабам, мы приходим к тому же самому — царству математических структур: к мультиверсу IV уровня, охватывающему все математические структуры.

Случай реальности малого

Я нарисовал картину фундаментальной физической реальности такой, как я её вижу. Лично я считаю эту реальность захватывающе красивой и величественной. Но не может ли эта картина вводить в заблуждение, а её величие оказаться миражом? Действительно ли мы живём в мультиверсе? А может, сам этот вопрос глуп и лежит за пределами науки?

С самого появления представлений о мультиверсе их ждала скорая расправа: Джордано Бруно с его бесконечным мультиверсом сожгли в 1600 году на костре, а Хью Эверетт со своим квантовым мультиверсом в 1957 году не нашёл работы в области физики. Я и сам почувствовал, что припекает, когда старший коллега предположил, что публикации, связанные с мультиверсом, погубят мою карьеру. Однако в последние годы произошли радикальные изменения. Все теперь сходят с ума по параллельным вселенным, они появились в книгах, в фильмах и даже в шутках: «Во многих параллельных вселенных вы сдали экзамен. Но не в этой».

Успех этих идей, конечно, не привёл к консенсусу среди учёных, однако он сделал дискуссию о мультиверсе гораздо более тонкой и, на мой взгляд, интересной. Учёные перестали просто перекрикивать друг друга и искреннее пытаются понять оппонентов. Замечательным примером может служить недавняя антимультиверсная статья в журнале «Сайентифик американ», написанная одним из пионеров релятивизма Джорджем Эллисом. Я очень рекомендую её прочитать.[93]

Как отмечалось в гл. 6, мы используем термин «наша Вселенная» для обозначения физической области пространства, из которой свет успел дойти до нас за 14 млрд лет с момента нашего Большого взрыва. Говоря о параллельных вселенных, мы различаем четыре их уровня:

Джордж Эллис разбирает множество аргументов в пользу этих уровней мультиверса и показывает, почему все они сталкиваются с проблемами. Вот моё резюме его основных антимультиверсных аргументов:

(Джордж не упоминает в статье аргумент № 2, но я добавил его, поскольку, думаю, он и сам бы сделал это, выдели ему редактор более шести полос.)

Как я отношусь к этой критике? Как ни странно, я согласен со всеми семью утверждениями, и, тем не менее, с радостью поставлю на существование мультиверса все свои сбережения!

Начнём с первых четырёх аргументов. Инфляция естественным образом порождает мультиверс I уровня (гл. 6), и если прибавить теорию струн с ландшафтом возможных решений, вы получите также и II уровень. Как было показано в гл. 8, квантовая механика в своей простейшей математической бесколлапсной («унитарной») форме даёт III уровень. Так что если эти теории отброшены, то ключевые аргументы в пользу мультиверсов рушатся. Запомните: параллельные вселенные — это не теория, а предсказания определённых теорий.

Для меня ключевым моментом является то, что если теория научна, то правомерной научной деятельностью будет получение и обсуждение всех её следствий, даже если они включают в себя ненаблюдаемые сущности. Чтобы теория была фальсифицируемой, нет нужды наблюдать и проверять все её предсказания — достаточно хотя бы одного из них. Поэтому мой ответ на аргумент № 4 таков: научно проверяемыми являются наши математические теории, но не обязательно их следствия, и это совершенно нормально. Поскольку, как говорилось в гл. 6, общая теория относительности Эйнштейна успешно предсказала многие вещи, доступные наблюдению, мы также всерьёз относимся к её предсказаниям относительно вещей, которые мы наблюдать не можем, например относительно того, что происходит внутри чёрных дыр. Подобным образом, если нас до сих пор впечатляли успешные предсказания теории инфляции или квантовой механики, мы должны серьёзно относиться и к иным их предсказаниям, включая мультиверсы I и III уровней. Джордж даже упоминает возможность того, что теория вечной инфляции может быть однажды отброшена: для меня это просто аргумент, подтверждающий научность теории вечной инфляции.

Теории струн, конечно, ещё далеко в отношении проверяемости до теории инфляции и квантовой механики. Однако я предполагаю, что мы находимся в мультиверсе II уровня, даже если теория струн окажется ошибочным направлением. Математические уравнения очень часто имеют множество решений, и если это относится к фундаментальным уравнениям, описывающим нашу реальность, то вечная инфляция в общем случае создаёт огромные области пространства, в которых физически реализуется каждое из этих решений (гл. 6). Например, уравнения, управляющие молекулами воды, которые не имеют ничего общего с теорией струн, имеют три решения, соответствующих водяному пару, жидкой воде и льду, и если само пространство сходным образом может существовать в разных фазах, инфляция будет стремиться реализовать их все.

Джордж перечислил ряд наблюдений, которые, как считается, поддерживают мультиверсные теории. На самом деле они в лучшем случае сомнительны — вроде свидетельств о том, что некоторые физические постоянные в действительности непостоянны, или данных о наличии в космическом микроволновом фоне следов от столкновений с иными вселенными либо о странной связности пространства. Я полностью разделяю его скептицизм. Во всех этих случаях, однако, анализ данных вызывал много споров, и это очень напоминало скандальную ситуацию вокруг холодного ядерного синтеза в 1989 году. Но для меня сам факт, что исследователи выполняют эти измерения и рассуждают о результатах, является дополнительным свидетельством в пользу того, что такая деятельность лежит в рамках науки: именно этим научный спор и отличается от ненаучного.

В гл. 6 мы узнали, что наша Вселенная кажется удивительно точно настроенной для жизни: если варьировать многие из физических констант, то жизнь, какой мы её знаем, станет невозможной. Почему? Если существует мультиверс II уровня, где эти «константы» принимают все возможные значения, то неудивительно, что мы обнаружили себя в одной из редких пригодных для жизни вселенных. Это не более удивительно, чем то, что мы оказались на Земле, а не на Меркурии или Нептуне. Джордж подвергает критике тот факт, что выдвигать мультиверсную теорию приходится, чтобы получить этот вывод. Но ведь именно так мы проверяем любую научную теорию: предполагаем, что она верна, выводим следствия и отбрасываем теорию, если её предсказания не совпадают с наблюдениями. Некоторые настройки подобраны настолько точно, что это порождает серьёзные затруднения. Например, чтобы галактики были пригодными для жизни, тёмная энергия должна быть настроена примерно до 123-й значащей цифры. Для меня такое необъяснённое совпадение служит чётким сигналом о пробеле в наших научных представлениях. Отрицание его со словами: «Нам просто повезло, и перестаньте искать объяснения!» — не только неудовлетворительно, но равносильно игнорированию потенциально важнейшей улики.

По мнению Джорджа, если мы всерьёз признаём, что происходит всё, что может произойти, мы вступаем на скользкую дорожку, ведущую к всё более крупным мультиверсам, таким как мультиверс IV уровня. Поскольку это мой любимый уровень и я один из его немногочисленных защитников, я только счастлив скользить по этой дорожке!

Джордж также упоминает, что мультиверсы могут нарушать принцип бритвы Оккама, вводя ненужные усложнения. Я физик-теоретик и сужу об элегантности и простоте теории не по её онтологии, а по элегантности и простоте её математических уравнений, и меня поражает, что математически простейшие теории тяготеют к мультиверсам. Как выяснилось, чрезвычайно трудно построить теорию, которая объясняет точно такую вселенную, какую мы видим, и никакую больше.

Наконец, существует аргумент против мультиверса (Джордж обошёл его, и я ему за это признателен), который является, на мой взгляд, наиболее убедительным для большинства людей: параллельные вселенные слишком странные, чтобы быть реальными. Но именно этого следует ожидать (гл. 1). Эволюция наделила нас интуицией лишь для распознавания обыденных проявлений физики, важных для выживания наших предков, и всякий раз, когда мы используем технологии, чтобы взглянуть на реальность за пределами человеческих масштабов, наша выработанная эволюцией интуиция должна отказывать. Мы видели, как это случалось с противоречащими интуиции особенностями теории относительности, квантовой механики и т. д., и должны ожидать, что окончательная физическая теория, какой бы она ни оказалась, будет ещё более странной.

Случай реальности большого

Кратко разобрав аргументы против мультиверса, проанализируем аргументы за него. Я собираюсь показать, что все спорные вопросы снимаются, если принять гипотезу внешней реальности из гл. 10: существует внешняя физическая реальность, совершенно независимая от людей. Допустим, что эта гипотеза верна. Тогда большая доля критики в адрес мультиверса будет основываться на трёх сомнительных допущениях:

Допущения №№ 1 и 2, по-видимому, не мотивированы ничем, кроме человеческого высокомерия. Допущение о всевидении, по сути, переопределяет слово «существует» как синоним того, что наблюдаемо, а это значит прятать голову в песок. Те, кто настаивает на допущении о педагогичности реальности, будут, как правило, отвергать комфортные представления вроде Санта-Клауса, евклидова пространства, зубной феи и креационизма, но достаточно ли усердно трудились они над тем, чтобы освободиться от более глубоко укоренённых убаюкивающих представлений? По моему мнению, задача учёных состоит в том, чтобы пытаться понять, как устроен мир, а не диктовать ему, как он должен быть устроен.

Если допущение о всевидении ложно, то по определению есть вещи, которые существуют несмотря на то, что даже в принципе ненаблюдаемы. Поскольку определение Вселенной включает всё, что в принципе наблюдаемо, значит, Вселенная — это не всё, что существует, так что мы живём в мультиверсе. Если допущение о педагогичности реальности ложно, то претензия, состоящая в том, что мультиверсы слишком странны, перестаёт быть логичной. Если ошибочно допущение о невозможности копий, то нет фундаментальных причин, согласно которым где-то во внешней реальности не может быть ваших копий, — в действительности и вечная инфляция, и бесколлапсная квантовая механика обеспечивают механизм их созидания (гл. 6, 8).

Более того (гл. 10), из гипотезы внешней реальности вытекает гипотеза математической Вселенной, состоящая в том, что наша внешняя физическая реальность является математической структурой. В гл. 12 мы видели, как из неё, в свою очередь, следует существование мультиверса IV уровня, который содержит все остальные уровни мультиверсов. Мы, по сути, оказываемся неразрывно связаны со всеми этими параллельными вселенными, если только признаём существование независимой от нас внешней реальности.

Подведём итоги. Мы видели, как менялось представление человечества о себе. Люди всегда были склонны к высокомерию и самонадеянно представляли себя в центре мироздания. Но постепенно выяснялось, что мы заблуждаемся: это мы обращаемся вокруг Солнца, а оно, в свою очередь, обращается вокруг центра одной из бессчётных галактик во вселенной, которая может быть лишь одной из множества в четырёхуровневой иерархии мультиверсов. Я надеюсь, понимание этого делает нас скромнее. Однако, хотя люди переоценивали свою значимость, мы недооценивали силу собственной мысли. Наши предки думали, что привязаны к земле и никогда по-настоящему не поймут природу звёзд и того, что за ними. Потом они поняли, как далеко могут зайти, даже без всяких полётов в космос, а просто разрешив полёт разуму. Благодаря физике мы всё глубже проникаем в природу реальности. Оказалось, что мы обитаем в реальности гораздо более величественной, чем наши предки могли представить, а это значит, что наш жизненный потенциал гораздо больше, чем мы думали. При наличии почти безграничных физических ресурсов ключевую роль станет играть наша изобретательность. Так что наша судьба в наших собственных руках.