Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности - Макс Тегмарк

Будущее физики

Если я ошибаюсь и гипотеза математической Вселенной неверна, значит, фундаментальная физика рано или поздно натолкнется на непреодолимое препятствие. Выйдя за этот предел, мы уже не сможем расширять свое понимание физической реальности, поскольку для нее не будет математического описания. А если я прав, то все является принципиально познаваемым. Я думаю, это было бы замечательно, поскольку в таком случае мы ограничены лишь своим воображением. Точнее, воображением и готовностью проделать тяжелую работу. Ответ, который Дуглас Адамс дал на свой самый главный вопрос жизни, Вселенной и всего такого, вряд ли снимет все остальные вопросы. А ответ, который я даю на вопрос о фундаментальной природе реальности («она чисто математическая», или, более точно, «это мультиверс IV уровня»), оставляет без ответа большинство наших традиционных больших вопросов. Например, вопрос «Каковы уравнения квантовой гравитации?» превращается в вопрос: «Где мы находимся в мультиверсе IV уровня?», на который, по-видимому, так же трудно ответить, как и на исходный. Поэтому окончательный вопрос о природе реальности надо сформулировать иначе. Отложим сбивающий нас с пути вопрос о том, какие конкретно математические уравнения описывают нашу реальность, и вместо этого поинтересуемся, как путем вычислений представить Вселенную с «лягушачьей» точки зрения – то есть наши наблюдения, – основываясь на ее виде с «птичьей» точки зрения. Это позволило бы определить, открыта ли истинная структура нашей конкретной Вселенной, и помогло бы представить, в каком уголке математического космоса располагается наш дом.

Ситуация, когда ответить на фундаментальные вопросы проще, чем на прикладные, на самом деле типична для физики. Если мы найдем правильные уравнения, описывающие квантовую гравитацию, они обеспечат нам более глубокое понимание пространства, времени и материи, но не помогут точнее смоделировать глобальные изменения климата – хотя в принципе они объясняют всю физику, имеющую отношение к погоде. Дьявол в деталях, и понимание этих деталей часто требует большого труда, причем совершенно независимо от лежащей в основе окончательной теории.

С учетом этого посвятим остаток книги рассмотрению некоторых больших вопросов, которые уводят нас все дальше от фундаментальной физики и подводят все ближе к дому. Поскольку прежде мы концентрировались преимущественно на прошлом, естественно закончить путешествие, занявшись будущим.

Чем все закончится: о будущем нашей Вселенной

Если гипотеза математической Вселенной верна, то о будущем нашей физической реальности сказать в целом нечего: поскольку она существует вне пространства и времени, она не может закончиться, исчезнуть, равно как не может быть создана или изменена. Однако если мы переместимся поближе к дому и сконцентрируемся на математической структуре, в которой мы обитаем, где есть пространство и время, все станет гораздо интереснее. Здесь, в нашем захолустье, вещи кажутся изменяющимися с точки зрения наблюдателей вроде нас, и поэтому естественно спросить, чем все это кончится.

Что ждет Вселенную через миллиарды лет? У меня есть пять основных предположений относительно грядущего космического апокалипсиса или «космокалипсиса», представленных на рис. 13.2 и в виде сводки в табл. 13.1: Большое замерзание (Big Chill), Большой хлопок (Big Crunch), Большой разрыв (Big Rip), Большое дробление (Big Snap) и Смертельные пузыри (Death Bubbles).

Вселенная расширяется около 14 млрд лет (гл. 3). Большое замерзание случится, если Вселенная продолжит расширяться вечно, превращая космос в холодное, темное и, в конечном счете, мертвое место. Я представляю себе это примерно как Т. С. Элиот: «Вот как кончится мир / Не взрыв но всхлип». Если вы, подобно Роберту Фросту, предпочитаете, чтобы мир погиб в огне, а не во льду, держите кулаки за Большой хлопок: космологическое расширение в конце концов обратится вспять, и все будет смято в коллапсе, напоминающем обращенный во времени Большой взрыв. Наконец, Большой разрыв – это замерзание для нетерпеливых: галактики, планеты и даже атомы разрываются на части. На какой из трех вариантов сделать ставку? Это зависит от того, что будет делать темная энергия (гл. 4), которая составляет около 70 % массы Вселенной, по мере расширения пространства. Это может быть замерзание, хлопок и разрыв – в зависимости от того, останется ли плотность темной энергии прежней, рассеется ли она до отрицательный плотности или, напротив, сгустится. Поскольку мы до сих пор не понимаем, что такое темная энергия, я просто скажу, какие ставки сделал бы сам: 40 % на Большое замерзание, 9 % на Большой хлопок, 1 % – на Большой разрыв.

Рис. 13.2. Мы знаем, что Вселенная началась 14 млрд лет назад с Большого взрыва, затем она расширялась и остывала, а ее частицы сливались в атомы, звезды и галактики. Но мы не знаем, какова ее окончательная судьба. Предлагаемые сценарии учитывают Большое замерзание (вечное расширение), Большой хлопок (обратный коллапс), Большой разрыв (расширение с бесконечной скоростью, разрывающее все на части), Большое дробление (когда ткань пространства растягивается слишком сильно, в ней обнаруживается гибельная дискретная природа) и Смертельные пузыри (пространство “замерзает” внутри пузырей, которые расширяются со скоростью света).

Табл. 13.1. Будущее пространства в пяти сценариях космического Судного дня.

А что с остальными 50 % моих денег? Я придержал бы их на случай, отличный от вышеперечисленного, поскольку считаю: люди должны быть скромнее и признать, что существуют фундаментальные вещи, которые мы еще не понимаем. Я говорю о природе пространства, например. Замерзание, хлопок и разрыв – это варианты конца, предполагающие, что пространство само по себе устойчиво и бесконечно растяжимо.

Мы привыкли думать, что пространство – это скучная статическая сцена, на которой разворачивается космическая драма. Эйнштейн научил нас, что пространство – один из главных персонажей: оно может закручиваться в черные дыры, покрываться рябью гравитационных волн и растягиваться по мере расширения Вселенной. Не исключено даже, что оно может замерзать, переходя в другие фазы, подобно воде в стакане, и образуя при этом смертельные быстро расширяющиеся пузыри новой фазы (гл. 6). Мы также привыкли думать, что нельзя получить больше места, если не забрать его у кого-нибудь. Однако теория гравитации Эйнштейна говорит о прямо противоположном (гл. 3): дополнительный объем может быть получен в конкретной области пространства между галактиками без того, чтобы этот объем охватывал другие области – он остается между теми же галактиками. Более того, согласно теории Эйнштейна, растяжение пространства может продолжаться вечно, что позволяет Вселенной стремиться к бесконечному объему – и в случае Большого замерзания, и в сценарии Большого разрыва. Похоже, это слишком хорошо, чтобы быть правдой.

Резиновый жгут гладкий, цельный, как пространство, но если его слишком растянуть, он лопнет. Почему? Потому что он состоит из атомов и при достаточном натяжении о себе дает знать дискретная атомарная природа резины. Может ли быть так, что и пространство обладает некоего рода гранулярностью в масштабах слишком малых, чтобы мы это заметили? Математикам нравится модель пространства, представляющая его как идеализированный континуум без всякой гранулярности, и тогда разговор о сколь угодно малых расстояниях имеет смысл. Мы используем эту непрерывную модель пространства в большинстве физических курсов МТИ, но твердо ли мы уверены, что она верна? Конечно, нет! Есть множество опровергающих ее данных, и мы обсуждали это в гл. 11. В случае простого непрерывного пространства необходимо выписать бесконечное количество десятичных цифр, просто чтобы задать точное расстояние между двумя произвольными точками. Но такой титан физики, как Джон Уилер, показал, что квантовые эффекты, вероятно, сделают бессмысленными любые десятичные цифры после 35-й, поскольку обычное наше представление о пространстве перестает работать на меньших масштабах и, возможно, должно быть заменено пенообразной структурой. Это немного напоминает масштабирование фотографии на дисплее компьютера, когда обнаруживается, что изображение в действительности имеет гранулярную структуру, подобно резиновому жгуту, и состоит из пикселов, которые не поддаются дальнейшему делению (рис. 11.3).

Поскольку эта фотография состоит из пикселов, она содержит конечное количество информации и ее удобно передавать по интернету. Аналогично, имеется все возрастающее количество данных, свидетельствующих в пользу того, что наблюдаемая Вселенная содержит лишь конечное количество информации, и это могло бы упростить понимание того, как природа вычисляет, что делать дальше. Голографический принцип (гл. 6) предполагает, что наша Вселенная содержит не более чем 10124 битов информации, что соответствует в среднем 10 терабайтам на каждый объем, в котором мог бы уместиться атом.