Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Одной из основных тем современной физики является исследование иерархической структуры эмерджентных явлений. Начнём с небольшого набора атомов или молекул. Собираясь в более крупную структуру, они образуют объект с новыми свойствами, которыми не обладали исходные кирпичики. Изучив свойства этого нового объекта, вы можете забыть, откуда он взялся, и начать строить из подобных ему объектов более крупные и сложные структуры. И снова у этих структур появятся новые свойства, отсутствовавшие у их составляющих. Вы снова можете забыть про свойства исходных объектов и т. д., пока не придёте к свойствам конечного макроскопического объекта. Одним из наиболее интересных свойств таких систем является то, что не имеет значения, с каких микроскопических структур вы начинаете, – это не приводит ни к каким различиям в эмерджентном поведении: свойства конечного макроскопического объекта всегда получаются одними и теми же, в определённых пределах.[107] По этой причине Лафлин считает, что нет никакого смысла в поисках фундаментальных объектов природы, поскольку варьирование свойств таких основных объектов в широком диапазоне всё равно приведёт к тем же самым Законам Физики – гравитации, Стандартной модели и т. д. – в нашем крупномасштабном мире. В реальных макроскопических материалах существуют различные виды возбуждений, напоминающие по поведению элементарные частицы, но в действительности являющиеся коллективными движениями атомов. Звуковые волны, например, ведут себя так, как будто они состоят из квантов, называемых фононами. И поведение этих фононов подозрительно похоже на поведение фотонов и других частиц.

Есть две серьёзные причины сомневаться в том, что законы природы похожи на законы эмерджентных материалов. Первая причина заключается в особых свойствах гравитации. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим свойства сверхтекучего гелия, хотя с таким же успехом можно было бы взять и любой другой материал. Со сверхтекучей жидкостью происходит множество интересных вещей. В ней могут существовать волны, ведущие себя как скалярные поля, и объекты, называемые вихрями, похожие на торнадо, движущиеся сквозь жидкость. Но в ней нет ничего такого, что напоминало бы чёрные дыры. И это не случайно. Чёрные дыры обязаны своим существованием гравитационным силам, которые описываются общей теорией относительности Эйнштейна. Но ни один материал не обладает свойствами, которыми общая теория относительности наделяет пространство-время. Для этого есть очень веские причины. В главе 10, где я описывал чёрные дыры, мы увидели, что свойства мира, в котором царствуют квантовая механика и теория относительности, радикально отличаются от всего, что может породить одно только обычное вещество. В частности, голографический принцип – опора современного понимания чёрных дыр – кажется, требует совершенно нового поведения вещества, которого я не видел в известных мне конденсированных средах. На самом деле это признаёт и Лафлин, только он использует данный факт в пользу точки зрения, согласно которой чёрные дыры не могут иметь многих приписываемых им свойств, например хокинговского излучения, в то время как большинство физиков не сомневается в реальности последнего.

Но предположим, что кто-то сумел найти эмерджентную систему, обладающую именно такими свойствами, которые нам нужны. Свойства эмерджентных систем не очень гибкие. Такие системы могут иметь в своей основе очень широкое разнообразие исходных микроскопических состояний, но, как я уже говорил, эти микросостояния приводят к достаточно ограниченному набору конечных макросостояний. Например, вы можете в достаточно широких пределах варьировать структуру и свойства атома гелия, но это не приведёт к каким-либо существенным отличиям в свойствах образуемой гелием сверхтекучей жидкости. Важно лишь, чтобы атомы гелия вели себя как соударяющиеся и отскакивающие друг от друга бильярдные шары. Нечувствительность к начальному микроскопическому состоянию – это та вещь, за которую физики больше всего любят эмерджентные системы. Но вероятность того, что одно из небольшого числа возможных фиксированных конечных состояний окажется состоянием с невероятно тонко настроенными свойствами нашего мира, крайне незначительна. В частности, Лафлин так и не даёт объяснения наиболее драматической из этих прекрасных настроек – небольшой, но ненулевой космологической постоянной. Идея построения Вселенной на основе эмерджентных свойств конденсированных сред представляется мне тупиковой.

Естественный отбор и Вселенная

Ли Смолин попытался объяснить специфические свойства мира – антропные свойства – путём прямой аналогии с дарвиновской эволюцией,[108] причём не в общем вероятностном смысле, как в моей аналогии, которую я приводил ранее, а в гораздо более узком, конкретном смысле. К чести Смолина, он почти сразу же понял, что теория струн способна описать гигантский набор возможных вселенных, и попытался использовать этот факт при построении своей теории. Хотя я и чувствую, что идея Смолина ведёт в тупик, я считаю, что его титанические усилия заслуживают более серьёзного анализа. Вот суть его теории.

В любой вселенной, в которой есть гравитация, могут образовываться чёрные дыры. Смолин рассуждает о том, что может происходить внутри чёрных дыр, в частности в точке сингулярности. Он считает, на мой взгляд, совершенно безосновательно, что вместо коллапса пространства в точке сингулярности происходит воскрешение вселенной. Новые вселенные рождаются внутри чёрных дыр. Если это так, считает Смолин, то чёрные дыры формируются во вселенных, которые сами находятся внутри чёрных дыр, которые формируются во вселенных – и т. д., что приводит к эволюции в направлении максимальной приспособленности вселенных. Под приспособленностью Смолин понимает способность производить большое количество чёрных дыр и, таким образом, плодить многочисленное потомство. Затем Смолин предполагает, что наша Вселенная обладает наибольшей приспособленностью из всех возможных, то есть законы природы в нашем кармане таковы, что они приводят к максимально возможному количеству чёрных дыр. Из чего он заключает, что в антропном принципе нет никакой необходимости. Вселенная не приспособлена идеально для жизни, она идеально приспособлена для производства чёрных дыр.

Идея гениальна, но я не понимаю, что она объясняет. Мы сталкиваемся с двумя серьёзными проблемами. Во-первых, идея Смолина слишком похожа на дарвиновскую, и она требует, чтобы одно поколение отличалось от другого очень небольшими нарастающими изменениями. Как я уже отмечал ранее, модель, предлагаемая ландшафтом теории струн, работает прямо противоположным образом. В оправдание Смолина я должен сказать, что все наши знания о Ландшафте были получены уже после того, как он опубликовал свою теорию. В то время, когда Смолин разрабатывал свою теорию, рабочей парадигмой струнных теоретиков был плоский суперсимметричный регион ландшафта, где все изменения действительно происходят очень маленькими шажками.

Вторая проблема – космологическая, и она имеет очень мало общего с теорией струн. Нет никаких оснований полагать, что мы живём во вселенной, максимально приспособленной для производства чёрных дыр. Смолин приводит ряд аргументов, пытаясь доказать, что любые изменения законов природы в нашей Вселенной приведут к уменьшению количества образующихся в ней чёрных дыр, но я нахожу эти аргументы малоубедительными. В главе 5 я объяснял, что всё обстоит как раз наоборот и что это поистине чудо, что наша Вселенная катастрофически не наполнена чёрными дырами. Относительно небольшое увеличение неоднородности вещества на начальном этапе приведёт к тому, что всё вещество Вселенной сколлапсирует в чёрные дыры задолго до образования звёзд и галактик. Кроме того, увеличение масс элементарных частиц опять же приведёт к росту количества чёрных дыр, поскольку вещество будет более восприимчиво к гравитационному притяжению. На самом деле вопрос следует ставить по-другому: «Почему во Вселенной так мало чёрных дыр?» Ответ, который кажется мне наиболее естественным, заключается в том, что многие, может быть даже большинство карманных вселенных, имеют гораздо больше чёрных дыр, чем наша, но они представляют собой места со слишком неблагоприятными условиями, в которых жизнь не смогла сформироваться.

И вообще аргумент, что мы живём в мире, который максимально приспособлен для собственного воспроизведения, имеет, на мой взгляд, существенные недостатки. Пространство действительно воспроизводится – на этом зиждется хорошо изученный механизм инфляции, – но максимально приспособленная для воспроизводства вселенная не имеет ничего общего с нашим собственным миром. Наиболее приспособленная в смолинском смысле вселенная – это такая вселенная, которая наиболее быстро реплицирует сама себя, а для этого необходима большая космологическая постоянная. Но нет никакого соответствия между приспособленностью для воспроизведения и приспособленностью для поддержания разумной жизни. Наша Вселенная с её ультрамалой космологической постоянной и нехваткой чёрных дыр является очень малоприспособленной для репликации.