Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

• Название: Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
• Автор: Дэйв Голдберг
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-17-090528-7

Не любите физику? Вы просто не читали книги Дэйва Голдберга! Эта книга познакомит вас с одной из самых интригующих тем современной физики — фундаментальными симметриями. Ведь в нашей прекрасной Вселенной практически все — от антивещества и бозона Хиггса до массивных скоплений галактик — формируется на основе скрытых симметрий! Именно благодаря им современные ученые делают свои самые сенсационные открытия.

Можно ли создать устройство для мгновенной передачи информации? Что будет, если Землю засосет в черную дыру? Что не рассказывают на школьных уроках о времени и пространстве? Читайте, и вы узнаете ответы на эти вопросы. Это понятно, увлекательно, это может быть смешно — именно так вы теперь будете думать о физике.

---

Первыми проблесками понимания, какова вселенная вне нашей галактики, мы обязаны Эдвину Хабблу. Как мы уже видели, он не просто показал нам масштабы вселенной, но и открыл, что почти все галактики во вселенной, похоже, от нас отдаляются.

Идея о расширении вселенной, вероятно, заронило в вас ошибочную мысль, что у вселенной будто бы есть центр. Нет, центра у вселенной нет. Чтобы понять, почему, нужно немного поговорить об относительности. Мы уже убедились, что специальная теория относительности предполагает тесные взаимоотношения между временем и пространством. А гениальность общей теории относительности заключается в том, что согласно ей гравитация способна искривлять и пространство, и время, а также и то, и другое одновременно.

Расширяющаяся Вселенная как лист резины

Если у вас нет интуитивного ощущения, что такое искривление пространства, не терзайтесь. Запутаться в уравнениях и формулах очень просто. Однако, к счастью, Международная гильдия популяризаторов космологии подобрала прекрасную аналогию, и если вы дадите мне слово не понимать ее чересчур буквально, я последую примеру коллег.

Приклейте на огромный лист резины горстку маленьких пластмассовых галактик.

Найдите компанию силачей и вместе с ними возьмитесь за лист со всех сторон.

Потяните как следует.

Муравей, живущий в одной из галактик, сочтет себя пупом вселенной, поскольку все остальные галактики с его точки зрения будут удаляться. Более того, чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее — с точки зрения муравья — они будут удаляться друг от друга: именно этот эффект и наблюдал Хаббл.

Я могу забросить вас в любую галактику, и если у вас достанет эгоцентризма, вы сочтете себя центром вселенной. Однако — и это и есть самое главное — то же самое увидит любой наблюдатель в любой галактике.

Поверните часы вселенной в обратную сторону, и расстояния между всеми галактиками сожмутся до нуля. Где произошел Большой взрыв? А везде!

Однако понимать эту аналогию слишком буквально опасно. Особенно упорный муравей, того и гляди, построит прелестный звездолетик и отправится, например, искать край резинового листа. А вот в нашей (не-резиновой) вселенной достигнуть края в принципе невозможно, нечего даже и мечтать. У вселенной нет центра — и краев тоже нет. Так что у нас остается всего два варианта.

Первый, честно скажу, леденит душу. Может статься, что вселенная и в самом деле бесконечна. То есть не просто очень-очень велика, а действительно бесконечна. Вдумайтесь — бесконечна!

Тороидальная вселенная

Мы еще вернемся к практическим различиям между великанской и бесконечной вселенной, но лично меня гораздо больше утешает вариант номер два: возможно, вселенная замкнута сама на себя. Это как Пак-Ман, который исчезает на одном краю экрана и тут же появляется с противоположной стороны. С точки зрения Пак-Мана, он идет все вперед и вперед и не может дойти до конца.

Не волнуйтесь — Земля ведет себя точно так же. Если не обращать внимания на произвольно установленные нашими собратьями демаркационные линии вроде Линии перемены даты, можно шагать на восток бесконечно — и не дойдешь ни до края, ни до центра. Будешь постоянно проходить одни и те же места — и все.

С практической точки зрения между бесконечной и повторяющейся вселенной нет большой разницы. Расширение вселенной и ограниченная скорость света сговорились не пускать нас даже облететь вселенную и вернуться в исходную точку. Но это не мешает нам задать следующий вопрос: а какого вселенная размера?

Вселенная: одна или множество?

Космос большой. Очень.

А вот какого точно он размера, мы сказать не можем, честное слово. Всю вселенную мы не в состоянии окинуть взглядом, поскольку она существует всего 14 миллиардов лет, а скорость света такая, какая есть. На Земле мы называем линию, дальше которой нам не заглянуть, горизонтом, и ко вселенной в целом это тоже относится.

В принципе, мы можем вписать в этот горизонт триллионы галактик, но нигде не сказано, что на этом все и кончится. Есть вполне реальная вероятность, что вселенная за горизонтом, там, где мы ее не видим, совсем не такая, как поблизости. Мало того, что мы не в состоянии разглядеть, что происходит в сотнях миллиардов световых лет от нас, поскольку вообще все движется либо со скоростью света, либо медленнее: все, что находится за горизонтом, никак не подвержено влиянию происходящего здесь, на Земле.

Но и этого мало: поскольку вселенная расширяется с ускорением, выясняется, что со временем из нашего поля зрения будет исчезать все больше и больше галактик. Галактики в пределах нашего горизонта находятся от нас на расстоянии всего-то 60 миллиардов световых лет. А все, что происходит дальше, навеки останется тайной.

Все, что находится вне нашего горизонта, — это с любой практической точки зрения иная, независимая вселенная, а следовательно, хотим мы этого или нет, мы живем во множественной вселенной — в определенном смысле. Если вы знаток научной фантастики[45], то по крайней мере поверхностно знакомы с идеей множественной вселенной, однако словосочетание «множественная вселенная» каждый понимает по-своему. К счастью для нас, физик из Массачусетского технологического института Макс Тегмарк разработал подробную иерархическую классификацию множественных вселенных. Положа руку на сердце, все в этой классификации, кроме первого уровня, в котором мы и так не сомневаемся, крайне спекулятивно — и чем дальше, тем спекулятивнее. Так что давайте уговоримся, что пока что мы просто навскидку раскладываем все по полочкам.

Множественная вселенная первого уровня. Вселенная очень велика, но это можно понять

С практической точки зрения вполне можно рассматривать любой участок вселенной размером в 100 миллиардов световых лет как остров. Однако если острова не связаны друг с другом, возникает резонный вопрос, почему так вышло и почему каждый отдельный участок обязан быть похожим на все остальные.

Представьте себе, на этот вопрос вполне можно получить ответ. Однако сперва констатируем факт, подтвержденный наблюдениями: нас окружает излучение, оставшееся с начала вселенной, и это излучение однородно с точностью примерно до одной стотысячной. Этот факт становится еще страннее, если вспомнить, что свет, попадающий в нас «сверху» и «снизу» — со стороны северного и южного полюсов — приходит из невероятно отдаленных точек вселенной. Два фотона из этих потоков, скорее всего, никогда не находились в областях, когда-либо бывших в термическом контакте друг с другом.

Это один из самых глубоких и болезненных вопросов в космологии. Первоначально вселенная была очень мала, но длилось это совсем недолго. Похоже, что области, находящиеся на небосводе на расстоянии больше градуса, не имели возможности смешаться друг с другом — и все же вселенная в целом выглядит на удивление однородной. Напомню, что это одно из предположений космологического принципа.

В 1980 годы Алан Гут, который тогда работал в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, выдвинул гипотезу инфляции, позволяющую обойти проблему горизонта. И хотя она плохо укладывается в голове, заранее предупреждаю, что на данный момент инфляционная модель для большинства космологов стала догмой. Она позволяет объяснить огромное количество явлений во вселенной в том виде, в каком мы ее наблюдаем.

В первые мгновения существования множественной вселенной здесь царила кипучая активность, особенно в первые 10–35 секунд. За этот краткий миг вселенная претерпела колоссальное расширение по экспоненте, и отдельные участки пространства — отдельные пузырьки — выросли в 1060 и более раз.

Если гипотеза инфляции верна, а мы, повторяю, практически убеждены, что так и есть, то за пределами видимого пространства есть еще много пространства. Каждый пузырек — вселенная в себе, и легко вообразить, что если их достаточное количество, то многие из них могли бы быть похожи на наш, вероятно, даже в точности, как наш. Согласно большинству моделей инфляции пузырьки порождают другие пузырьки — и т. д. до бесконечности, и в результате получается бесконечная вселенная, которая поначалу так сильно нас пугала.

Каких же размеров должна достигнуть множественная вселенная первого уровня, чтобы у каждого человека на Земле появился точный двойник? Просто чудовищных. По оценкам Тегмарка, отсюда до тождественной вселенной примерно 10 в степени 1029 метров — на страницах этой книги не будет чисел больше этого, кроме самой бесконечности. Имеется в виду, что каждый атом во вселенной-дубликате находится в точности на том же месте и движется с той же скоростью с точностью до квантовой неопределенности, что и в нашей собственной вселенной. А это означает, что если биография вашего двойника и отличается от вашей, мозг двойника устроен так, чтобы он думал, будто у него именно такая биография.