Митио Каку
Параллельные миры: Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем космоса
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 радиоактивное излучение, которое наблюдается в скалах, для получения наиболее точных данных о возрасте Земли. В свою очередь, зонд Уилкинсона для измерения анизотропии микроволнового излучения изучил эхо самого Большого взрыва, дав нам наиболее надежные сведения о возрасте Вселенной. Данные зонда Уилкинсона показывают, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, который произошел 13,7 млрд лет тому назад.
(В течение многих лет одним из наиболее скользких моментов, неотступно преследующих космологию, было то, что вычисленный возраст Вселенной часто оказывался меньше возраста отдельных планет и звезд. Причиной тому были ошибки 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 устранены.)
Данные зонда Уилкинсона стали причиной крутого поворота в споре о том, из чего состоит Вселенная: этим вопросом задавались еще греки более двух тысячелетий тому назад. На протяжении всего XX века считалось, что ответ известен. Проведя тысячи скрупулезных экспериментов, ученые пришли к выводу, что Вселенная в основном состоит примерно из сотни различных элементов, выстроенных в аккуратную периодическую таблицу, начинающуюся 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 %[4]) всей материи и энергии во Вселенной. (Бо́льшую часть этих 4 % составляют водород и гелий, и только где-то около 0,03 % – тяжелые элементы.) Но подавляющая часть Вселенной состоит из загадочного невидимого вещества абсолютно неизвестного происхождения. Известные элементы, из которых состоит наш мир, составляют во Вселенной лишь 0,03 %. В каком-то смысле наука оказалась отброшена на века назад, во времена, когда еще не было атомической гипотезы, поскольку физики споткнулись на факте, что во Вселенной преобладают принципиально новые, неизвестные науке формы материи и энергии.
Согласно данным зонда Уилкинсона, Вселенная на 23 %[5] состоит из неизвестной, неопределенной субстанции – так называемой темной материи. Она обладает весом и окружает галактики гигантским ореолом, который нам невидим. Темная материя настолько вездесуща и ее так много, что в нашей галактике Млечный Путь она весит в 10 раз больше, чем все звезды вместе взятые. Несмотря на невидимость этой неизвестной материи, ученые, используя метод непрямого 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 известны ее определяющие характеристики»{4}.
Однако, наверное, самым большим сюрпризом из данных, полученных спутником WMAP и потрясших все научное сообщество, стал факт, что 73 %[6] Вселенной, ее большая часть, состоит из абсолютно неизвестной формы энергии, называемой темной, или невидимой, энергией, таящейся в вакуумном пространстве. Введенное самим Эйнштейном в 1917 году, а затем отвергнутое (великий физик назвал его своей величайшей ошибкой) понятие «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 известно ее воздействие, но у нас нет ключа к разгадке… ни у кого нет ни единого ключа»{5}, – 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 экспериментом – 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, принесенных спутником WMAP. По мере того как эта лавина сметает устаревшие концепции Вселенной, в космологии вырисовывается новая картинка. «Мы заложили фундамент единой, непротиворечивой теории космоса»{6}, – заявляет Чарльз Беннетт, руководитель международной команды, принимавшей участие в обработке и анализе данных со спутника WMAP. В настоящий момент ведущей является инфляционная теория Вселенной, то есть усовершенствованная теория Большого взрыва, впервые предложенная Аланом Гутом из Массачусетского технологического института[7]. 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[8], поскольку расширяется пустое пространство. Что же касается материальных объектов, то они не могут перескочить световой барьер.) Итак, за ничтожную долю секунды Вселенная невообразимо расширилась – в 1050 раз.
Чтобы вообразить интенсивность расширения 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 него. Теперь поставьте на шарике микроскопическую точку. Эта точка и есть видимая 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 интенсивным, что теперь существуют целые области Вселенной вне нашей видимой, которые так навсегда и останутся для нас за пределами видимости.
Расширение Вселенной было столь интенсивным, что при взгляде 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»{7}.
Мультивселенная
Несмотря на то что инфляционная теория согласуется с данными зонда Уилкинсона, она все же не отвечает на вопрос: что стало причиной расширения? Что побудило к действию антигравитационную силу, которая «раздула» Вселенную? Существует более 50 теорий о том, что стало причиной начала и окончания расширения, 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 вопрос о механизме расширения Вселенной пока не существует.
Поскольку никто точно не знает, почему началось расширение, вполне вероятно, что подобное событие может снова иметь место, то есть инфляционные взрывы могут повторяться. Эта теория была предложена русским физиком Андреем Линде из Стэнфордского университета. Она утверждает, что, какой бы механизм ни послужил причиной внезапного расширения Вселенной, он постоянно находится в действии, заставляя беспорядочно расширяться другие, отдаленные области Вселенной.
И тогда крошечный участок Вселенной может внезапно расшириться и «образовать почку», пустить побег дочерней вселенной, 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», а «Мультивселенная».
Линде называет свою теорию вечным, самовоспроизводящимся или хаотическим расширением, поскольку он подразумевает непрекращающийся процесс постоянного расширения параллельных вселенных. «Расширение заставляет нас предполагать существование многочисленных вселенных»{8}, – говорит Алан Гут, впервые предложивший инфляционную теорию.
Эта теория также предполагает, что от нашей Вселенной, возможно, когда-нибудь отпочкуется собственная дочерняя вселенная. Возможно, и наша собственная Вселенная обрела свое существование, отпочковавшись от более древней, более ранней вселенной.
По словам главы Королевского астрономического общества Великобритании сэра Мартина Риса, «то, что традиционно называлось Вселенной, 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 развиваться сложным формам и сознанию»{9}.
Исследования в области Мультивселенной[9] вызвали дискуссии о том, как выглядят другие вселенные, обитаемы ли они и даже возможен ли с ними контакт. Ученые Калифорнийского технологического института, Массачусетского технологического института, Принстонского университета, а также других научных центров сделали расчеты для решения вопроса, не противоречит ли законам физики множественность вселенных и возможность их достижения.
М-теория и одиннадцатое измерение
Сама идея параллельных вселенных когда-то рассматривалась учеными с изрядной долей подозрения и считалась областью деятельности мистиков, шарлатанов и больших оригиналов. Каждый ученый, осмеливавшийся работать в области изучения параллельных вселенных, подвергался насмешкам, даже рисковал своей карьерой, поскольку вплоть до сегодняшнего дня не существует экспериментального подтверждения существования параллельных вселенных.
Но в последнее время произошел серьезный прорыв в исследованиях, 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 и обещает возможность воочию «узреть Божий замысел», как когда-то красноречиво выразился Эйнштейн. Если теория окажется 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 и М-теории впечатляет – они исчисляются десятками тысяч. Этой теме были посвящены сотни международных конференций. В каждом университете мира либо есть группа, занимающаяся разработкой теории струн, либо делаются отчаянные попытки ее изучения. Хотя теорию и не проверить при помощи наших несовершенных современных приборов, она вызвала живейший интерес математиков, физиков-теоретиков и даже экспериментаторов, которые надеются протестировать периферию Вселенной (конечно, в будущем) при помощи мощных детекторов гравитационных волн в открытом космосе и огромных 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 было до него?
Для решения такой задачи нам потребуется весь потенциал наших 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, организующих Вселенную, является струнная теория, особенно ее последнее воплощение – М-теория. (М означает «мембрана», но может также означать «загадка» (от англ. mystery – тайна, загадка, головоломка), «магия» и даже «мать». Хотя, по существу, струнная теория и М-теория идентичны, последняя представляет собой более загадочную и значительно более сложную структуру, объединяющую различные теории струн.)
Еще древнегреческие философы предполагали, что все во Вселенной может состоять из крошечных частиц, называемых атомами. Сегодня же, используя мощные ускорители заряженных частиц, мы можем расщепить атом на электроны и ядро, которые, в свою очередь, могут быть расщеплены на еще более мелкие субатомные частицы. 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 мембране, натянутой, скажем, как кожа барабана. (Это не совсем обычные струны и мембраны; они существуют 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 резонансом. Если бы мы задели струну, то частота ее вибраций изменилась бы и она превратилась в другую субатомную частицу, например в кварк. Тронь ее опять, и она превращается в нейтрино. Таким образом можно объяснить «метель» субатомных частиц различными по высоте звуками вибрирующей струны. Так что мы можем считать сотни субатомных частиц, наблюдаемых в лаборатории, одним объектом – струной.
В такой терминологии законы физики, тщательно обоснованные тысячелетними экспериментами, являются не чем иным, как законами гармонии, которые справедливы для струн и мембран. Законы химии – это мелодии, которые можно сыграть на этих струнах. Вся Вселенная представляет собой божественную симфонию для «струнного оркестра». А «Божий замысел», о котором столь красноречиво говорил Эйнштейн, – это космическая музыка, резонирующая 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 подробнейший 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 постепенно замедляется. Теперь мы понимаем, что на самом деле движение Вселенной ускоряется и галактики мчатся от нас прочь с возрастающими скоростями. Эта самая темная энергия, которая составляет 73 % материи и энергии во Вселенной, ускоряет расширение Вселенной, расталкивая галактики все с большей скоростью. «Вселенная ведет себя как водитель, притормаживающий на красный сигнал светофора и затем газующий на зеленый»{10}, – утверждает Адам Рис из Института исследований космоса с помощью космического телескопа.
Если какой-либо катаклизм не обратит процесс расширения вспять, то через 150 млрд лет наша галактика Млечный Путь окажется довольно одинокой: 99,99999 % близлежащих галактик «улетят» за пределы видимой Вселенной. Знакомые галактики, которые мы можем наблюдать в ночном небе, умчатся прочь с такой скоростью, что их свет никогда не достигнет нас тогдашних. Сами галактики не исчезнут, 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 разбегания. 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, поскольку 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 испускать свет, их ядерный 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 невозможна в принципе. Железные законы 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 погибнуть 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 существом, делает невыносимой даже саму мысль о том, что он и все сознательные существа обречены на полное вымирание после такого продолжительного медленного прогресса»{11}. К несчастью, последние данные спутника WMAP, видимо, подтверждают самые худшие опасения Дарвина.
