Мы не можем отправить энтропию в отставку, но, может быть, нам стоит переосмыслить ее?

В течение почти всего XX века в научной мысли доминировала идея единообразия Вселенной и универсальности законов физики. И действительно, космологические наблюдения показывали, что в самых больших возможных масштабах Вселенная почти полностью единообразна с погрешностью меньше чем 1 к 10000.

Подобная же ситуация складывается и в отношении универсальности законов физики. Например, мы знали, что масса электрона одинакова в любой наблюдаемой части Вселенной, так что с очевидностью предполагалось, что он везде имеет одинаковую величину – что это природная константа. В течение долгого времени одной из величайших целей физики было найти единую теорию – Теорию Всего, – которая объединила бы все фундаментальные взаимодействия и дала бы о однозначное объяснение всем известным параметрам физики частиц.

Примерно тридцать лет назад появилось возможное объяснение единообразия Вселенной. Главная идея заключалась в том, что наша часть мироздания возникла в результате экспоненциально быстрого растяжения пространства, названного космической инфляцией. По мере того как все «морщины» и неоднородности пространства растянулись и исчезли, Вселенная стала невероятно гладкой. Добавьте некоторые квантовые флюктуации, растяните их – и вот уже единообразие стало чуть менее полным: появились галактики.

Сначала инфляционная теория выглядела как экзотический плод живого воображения. Но, благодаря вдохновенной работе тысяч ученых, различные ее прогнозы были подтверждены наблюдениями, сделанными космическими аппаратами COBE, WMAP, Planck и, совсем недавно, лабораторией BICEP2. Если, как я думаю, теория правильна, то мы наконец получили объяснение того, почему мир столь единообразен.

Но инфляция не предсказывает, что это единообразие должно простираться дальше наблюдаемой части вселенной. Приведу аналогию: предположим, что вселенная – это поверхность большого футбольного мяча, состоящая из черных и белых шестигранников. Если мы накачиваем мяч, то размер каждой белой или черной части экспоненциально растет. Если инфляция достаточно сильна, то те, кто живет в черной части вселенной, никогда не увидят белую часть. Они будут думать, что вся вселенная черная, и постараются научно объяснить, почему она не может быть никакого другого цвета. Те, кто живет в белой вселенной, никогда не увидят черные части и поэтому будут думать, что весь мир должен быть белым. Но белые и черные части могут сосуществовать в инфляционной вселенной без противоречащих друг другу наблюдений.

В отличие от аналогии с черным/белым, в физике количество разных «цветов» – то есть разных состояний материи – может экспоненциально расти. Наилучшим нынешним кандидатом на роль Теории Всего является теория струн, которая может быть успешно сформулирована в пространстве-времени с десятью измерениями (девятью измерениями пространства и одного – времени). Но мы живем во Вселенной с тремя измерениями пространства. А где же шесть остальных? Дело в том, что они компактифицированы – сжаты до такой степени, что мы не можем двигаться в этих измерениях, – и поэтому мир представляется нам трехмерным.

Еще на начальной стадии разработки теории струн физики знали, что есть экспоненциально много разных путей для компактификации дополнительных шести измерений, но мы не знали, что удерживает компактифицированные измерения от расширения. Эта проблема была решена примерно десять лет назад, и решение подтвердило прежнее ожидание экспоненциально большого количества возможностей. По некоторым оценкам, их 10⁵⁰⁰. И каждая из этих опций описывает часть Вселенной с разной энергией вакуума и с разными типами материи. В контексте инфляционной теории это означает, что мир может состоять из 10⁵⁰⁰ громадных вселенных с различными типами материи.

Пессимист скажет, что, поскольку мы не видим других частей Вселенной, то не можем доказать, что эта картина является правильной. Оптимист возразит, что это нельзя и опровергнуть, потому что главное предположение теории состоит в том, что другие вселенные находятся очень далеко от нас. А поскольку мы знаем, что лучшая из нынешних теорий допускает существование 10⁵⁰⁰ разных вселенных, то всякий, кто доказывает, что у Вселенной повсюду должны быть одни и те же свойства, должен доказать, что возможно существование лишь одной из этих 10⁵⁰⁰ вселенных.

Есть кое-что еще: в нашем мире много странных совпадений. Масса электрона в 2000 раз меньше массы протона. Почему? Единственная «причина» состоит в том, что, будь это хоть немножко иначе, и жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможной. А массы протона и нейтрона почти совпадают. Если бы массы каждого хоть немного отличались, то жизнь, какой мы ее знаем, была бы невозможной. Энергия пустого пространства в нашей части Вселенной хотя и не равна нулю, но ничтожно мала – она более чем на 100 порядков меньше естественных теоретических оценок. Почему? Единственное объяснение заключается в том, что мы не могли бы жить в мире с большей энергией вакуума.

Корреляция между нашими свойствами и свойствами мироздания называется антропным принципом. Но если бы Вселенная существовала только в одном экземпляре, эта корреляция не объяснила бы почему. Нам бы пришлось предполагать некий божественный промысел, сделавший Вселенную пригодной для человека. А вот с Мультивселенной, состоящей из многих разных частей с разными свойствами, корреляция между нашими свойствами и свойствами той части мира, в которой мы живем, вполне имеет смысл.

Можем ли мы вернуться к старой картине единственной Вселенной? Возможно. Но для этого мы должны (1) придумать лучшую космологическую теорию, (2) придумать лучшую теорию фундаментальных взаимодействий и (3) предложить альтернативное объяснение упомянутых выше поразительных совпадений.

Бесконечность соблазнила меня еще в юности. Диагональное доказательство Георга Кантора о том, что некоторые бесконечности больше других, очаровало меня, а его бесконечная иерархия бесконечностей взорвала мой ум. Предположение о том, что в природе существует нечто действительно бесконечное, лежало в основе каждого курса физики, которые я читал в МТИ, – и лежит в основе всей современной физики. Но это непроверенное предположение, которое уклоняется от вопроса: а так ли это на самом деле?

Фактически есть два отдельных предположения: «бесконечно большое» и «бесконечно малое». Под бесконечно большим я имею в виду, что пространство может иметь бесконечный объем, что время может длиться вечно и что может существовать бесконечно много физических объектов. Под бесконечно малым я понимаю континуум – идею о том, что даже литр пространства содержит бесконечное количество точек, что пространство может бесконечно растягиваться без какого-то ущерба и что в природе есть количества, которые могут постоянно меняться. Эти два предположения тесно связаны между собой, поскольку инфляция, самое популярное объяснение Большого взрыва, может создавать бесконечный объем, бесконечно растягивая пространство.

Инфляционная теория имела поразительный успех и стала главным претендентом на Нобелевскую премию. Она объясняет, как субатомная частица материи трансформировалась в массивный Большой взрыв, создав громадную, однородную, единообразную вселенную с мелкими флюктуациями плотности, которые со временем выросли в сегодняшние галактики и крупномасштабную космическую структуру, – и всё это прекрасно согласуется с точными экспериментальными измерениями, полученными с помощью таких приборов, как Planck и BICEP2. Но, предсказав, что пространство не просто большое, а действительно бесконечное, инфляция породила так называемую проблему измерения, которую я рассматриваю как величайший кризис, стоящий перед современной физикой. Физика должна предсказывать будущее из прошлого, но инфляция, похоже, саботирует это дело. Когда мы пытаемся предсказать вероятность того, что случится что-то определенное, инфляция всегда дает один и тот же бесполезный ответ: бесконечность, деленная на бесконечность. Проблема в том, что, какой бы эксперимент вы ни проводили, инфляция предсказывает, что где-то далеко в нашем бесконечном пространстве существует множество ваших копий, которые получат все физически возможные результаты. И несмотря на многолетние споры и зубовный скрежет в космологическом сообществе, оно так и не пришло к консенсусу по поводу того, как добыть из этих бесконечностей разумные ответы. Так что, строго говоря, мы, физики, больше вообще ничего не можем предсказать!