Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

Концепция параллельных вселенных вошла в физику в абстрактной математизированной форме - через диаграммную технику Ричарда Фейнмана, позволяющую рассчитать вероятности обменных процессов с участием заряженных частиц. Всем возможностям приписываются определенные веса, которые затем суммируются. Один из способов написать явное выражение для этой «суммы историй» - применить аппарат интегралов по путям, являющийся, по сути, развитием вариационного исчисления Лейбница. В этом формализме, если даны начальное и конечное состояния квантовой системы, между ними возникает «холм» со всевозможными траекториями. Нам никогда не узнать, как именно участники взаимодействия пересекли этот холм. На самом деле они прошли по нему множеством тропинок одновременно. Все, что можно посчитать, - это куда они устремлялись наиболее охотно, какая тропинка приводила к цели кратчайшим путем.

Разрабатывая в 40-х гг. свой метод под началом своего научного руководителя Джона Уилера, Фейнман и не думал его представлять как нахождение траекторий в лабиринте параллельных вселенных. Математика сработала на ура, предсказания блестяще подтвердились - что еще надо? Однако в 1957 г. другой ученик Уилера, Хью Эверетт, взглянул на дело шире и предложил свою «многомировую интерпретацию» квантовой механики.

Согласно гипотезе Эверетта, всякий раз, когда микроскопическая частица испытывает воздействие, Вселенная не стоит спокойно, а распадается на пучок немного различающихся возможностей. Измеряя результат взаимодействия, экспериментатор тоже расщепляется на несколько версий, соответствующих альтернативным вариантам развития событий. Каждый его экземпляр получает свой результат измерения, не такой, как у других, и объясняет его появление вероятностью. Но в действительности никакой вероятности у события нет, потому что любой исход эксперимента наблюдается одной из копий экспериментатора, которая не может связаться со своими двойниками и сравнить результаты. Со временем число параллельных вселенных - и их квартирантов - достигает немыслимой величины. По сравнению с ним число атомов в наблюдаемой области космоса выглядит жалкой горсткой.

Несмотря на этот фантастический вывод, в 70-х гг. маститый теоретик Брайс Девитт воспринял эвереттовские построения всерьез. Ему мы, кстати, обязаны названием концепции. Девитт неустанно ее пропагандировал, доказывая, что это единственный разумный способ внести в квантовую механику объективное зерно и изгнать из акта измерения субъективность. В самом деле, кому удастся выйти за пределы Вселенной, снять показания и заставить ее волновую функцию сколлапсировать в один из многочисленных вариантов? Как бы безумно ни смотрелась многомировая интерпретация, разве не безумнее предполагать, будто людям с их органами чувств под силу влиять на Вселенную, вопрошал Девитт? Хотя к тому времени Эверетт уже ушел из теоретической физики (а в 1982 г. в возрасте 51 года и из жизни), Девитт стал достойным продолжателем его идеи о том, что мы живем в разрастающейся паутине параллельных вселенных.

Вместе с Уилером Девитт досконально проработал вопрос о применении квантовых принципов к гравитации. Первый стремился переформулировать эйнштейновскую теорию относительности на языке метода суммирования по историям. В квантовой механике состояния отличаются друг от друга положением, импульсом, спином и т. д. Словно из отдельных нот складывается музыкальная композиция. А как выглядит фортепианная клавиатура общей теории относительности? Наконец, Уилер сообразил, что его симфонию окрасят тембры всевозможных трехмерных геометрий. Вдохновленный этой догадкой, он принялся уговаривать Девитта помочь ему с математической реализацией. Девитт позже вспоминал: «Уилер приставал с этим ко всем. Однажды, по-моему, в 1964 г., он мне позвонил и сказал, что у него пересадка в аэропорту Рэлея-Дурхэма - я тогда был в Северной Каролине - и у него будет пара свободных часов. Не смог бы я туда приехать и поговорить о физике? Он ко всем, я знал, пристает с вопросом: “Какова в квантовой гравитации область определения?” И, по-видимому, он наконец догадался, что это пространство трехмерных геометрий. Меня тогда занимали другие задачи, но эта. в общем, тоже заслуживала внимания… Я прямо там, в аэропорту, записал это уравнение на каком-то клочке бумаги. Уилер пришел от него в восторг»89.

Так появилось уравнение Уилера-Девитта, позволяющее приписать веса трехмерным геометриям и, просуммировав их, определить самый вероятный вариант эволюции Вселенной. Теоретически, оно должно было помочь физикам понять, как знакомая нам реальность выкристаллизовалась из неразберихи случайностей. На практике, однако, в интересных случаях оно принимало весьма громоздкий вид.

В 1973 г. Коллинз и Хокинг рассмотрели этот вопрос на классическом уровне в своей знаковой работе «Почему Вселенная изотропна?». Перебирая многочисленные решения уравнений Эйнштейна - как изотропные, так и анизотропные космологии, они пытались понять, какие из них содержат сегодняшнюю Вселенную. Является ли космология изотропной или анизотропной, зависит от эквивалентности или неэквивалентности различных направлений. В первом случае Вселенная расширяется одинаково по всем направлениям, словно круглый шарик, когда его надувают. А если посмотреть в разные стороны в анизотропной Вселенной, то скорости увеличения расстояний в космосе будут тоже отличаться. Когда надуваешь воздушный шарик в форме сосиски, он становится все длиннее и длиннее, хотя поперечный размер почти не меняется.

Как известно из астрономических наблюдений, современная Вселенная в больших масштабах близка к изотропному варианту. Мы видим, что пространство расширяется во всех направлениях примерно одинаково. Реликтовое излучение, которое представляет собой моментальный снимок «эпохи рекомбинации», наступившей через 300 000 лет после Большого взрыва, тоже отличается высокой изотропией. (Как мы уже упоминали, спутники СОВЕ и WMAP все-таки зарегистрировали крошечные отклонения от изотропии.) Коллинз и Хокинг задались вопросом, должна ли была ранняя Вселенная, чей возраст насчитывал доли секунды, тоже быть изотропной. Почему она не может быть похожа на дикий морской берег, хаотично испещренный песчаными барханами?

Чтобы понять, как в поначалу хаотическом мире мог бы установиться порядок, двое ученых ввели в рассмотрение Многомир[29] - своего рода Вселенную вселенных, заключающую в себе весь набор геометрических альтернатив. Какие подвиды в этом космическом зоопарке, спрашивали теоретики, легче всего поддались укрощению и превратились в хорошо знакомое нам изотропное пространство, которое мы сегодня наблюдаем? Из вычислений следовал удивительный результат: лишь бесконечно малая доля первичного множества готова была совершить такой эволюционный скачок. Космос с современными его свойствами могли дать только вселенные, которые уже тогда имели высокую степень изотропии. Любое отклонение от идеальной формы, имевшее место в самом начале, за время жизни Вселенной разрослось бы до чудовищных размеров. Но как тогда в эту картину вписать сегодняшний день, который, как оказывается, является скорее исключением, чем правилом?

Вместо того чтобы искать объяснение этому парадоксу, основанное исключительно на физических законах, Коллинз и Хокинг решили обратиться к принципу, который австралийский физик Брэндон Картер окрестил антропным. Он гласит: устройство Вселенной определяется фактом существования человечества. Если бы Вселенная была устроена в известной степени по-другому - не образовалось бы Солнце, не было бы планет вроде Земли, не появилось бы некое подобие человечества и, значит, некому было бы испытывать действительность на собственном опыте. Следовательно, одно то, что мы, разумные существа, живем в этом мире, означает: Вселенная обязана была родиться такой, какая она есть, чтобы дать шанс таким любознательным наблюдателям, как мы. Давайте посмотрим, как Коллинз и Хокинг с помощью антропного аргумента объяснили, почему Вселенная изотропна. «Допустим, есть бесконечное множество вселенных со всевозможными, непохожими друг на друга начальными условиями. Схлопывания обратно в точку избегают только те вселенные, которые расширяются достаточно быстро, и именно в них появятся галактики, а значит, разумная жизнь. [Они], как правило, будут стремиться стать изотропными. В этой концепции тот факт, что мы наблюдаем изотропную Вселенную, неразрывно связан с самим нашим существованием»90.

Дабы проиллюстрировать антропный принцип, представим себе, что мы собираем по всему свету газетные вырезки, где опубликованы результаты лотерей. Как нетрудно догадаться, большое количество везунчиков в данном случае - следствие того, что газеты пишут в основном о выигрышах. Хотя лотерейные билеты покупают миллионы людей, в новостные заголовки попадают лишь те, кто сорвал джекпот. Если бы мы узнавали про лотерейные истории исключительно из газет, нас бы, наверное, мучил вопрос, почему в лотерею так легко выиграть. Ведь, казалось бы, это не только невыгодно для организаторов таких мероприятий, но и грубо нарушает все законы теории вероятности. Однако объяснение лежит на поверхности: принцип отбора самых сенсационных историй отсеивает всех участков лотереи, кроме небольшой горстки тех, которым улыбнулась фортуна. Аналогично принцип отбора сознательных наблюдателей отсеивает все вселенные, кроме небольшой горстки тех, в которых зарождается разумная жизнь.