Заключение Путь через лабиринт

Слово «время» не было передано с небес как дар свыше. Идея времени и само слово изобретены человеком – и если есть загадки, с ним связанные, то чья в том вина? Это наша вина.

Джон. А. Уилер. Цитата из фильма «Краткая история времени» (1991)

Ты – лабиринт узких изгибающихся проходов, и все они разные.

Colossal Cave Adventure (ранняя интерактивная компьютерная игра Уилла Кроутера и Дона Вудса)

Как появляется заключение? Почему мы завершили нашу книгу последней главой?

Что это говорит о природе времени?

Во многих древних культурах конец всегда был одновременно и началом, саги рассказывали снова и снова, дословно, поколение за поколением слушателей; смерть всегда вела к новому рождению.

Ритмы повседневной жизни и движение знакомых нам астрономических тел, таких как Солнце, Луна и планеты, наводят на мысль, что время циклично, что одни и те же шаблоны повторяются снова и снова, и результат их предсказуем. Знание того, что будет, выглядит успокаивающим, и ничего удивительного, что многие люди любят ритуалы, начиная от религиозных церемоний и заканчивая ежегодными праздниками.

Циклическое время успокаивает, линейное же представляет сулящий награду вызов. Того, кто добрался до конца книги, ждет определенная веха: конец усилиям. Линейная история с введением, основной частью и заключением обеспечивает ощущение порядка и цели.

Есть много стрел времени: существует космологическая стрела времени, связанная с расширением вселенной, термодинамическая стрела неуменьшающейся энтропии, эволюционная стрела увеличения сложности, стрела контура распада при слабом взаимодействии, психологическая стрела сознания и т. д. Но остается загадкой, как связаны между собой все эти стрелы.

Циклическое против линейного – традиционное противопоставление, когда речь идет о времени. Философские соображения заставляют многих мыслителей выбрать одно из двух – например, в дебатах по поводу того, было ли время до Большого взрыва или даже сам Большой взрыв. Но по большому счету ученые предпочитают строить свои модели на основе доказательств, а не на умозрительных выкладках. Природа (по меньшей мере на знакомом нам, классическом уровне) показывает наличие как того, так и другого: некоторые процессы повторяются, другие являются однонаправленными. Сегодня мы имеем третий взгляд на время: как на лабиринт из миллиардов возможностей. В современную информационную эпоху с Интернетом и гипертекстом мы оказались в лабиринте бесконечной сложности.

Работы Хорхе Луи Борхеса, Филипа Дика и многих других писателей представляют время как калейдоскоп альтернативных реальностей, взаимодействующих друг с другом. Каждый день мы совершаем огромное количество актов выбора онлайн, и понимаем, пусть даже в литературном смысле, что мы навеки потеряны в саду расходящихся тропок.

Интернет, обладающий лабиринтоподобной структурой, может служить эмблемой того, что наука двигается в сторону параллелизма, оставив позади цикличность и линейность. Ключевая идея в том, что нет определенности для любого объекта – перемещаться ему по кольцевой, прямой или изогнутой траектории, но каждый компонент системы должен взаимодействовать с другими всяким возможным путем.

Столько вариантов…

Только законы сохранения и другие физические ограничения, например постоянство электрического заряда, сдерживают подобные взаимодействия. Иногда, правда, их пересматривают в соответствии с экспериментальными данными, и это требует размышления о том, как налагать новые ограничения.

В конечном итоге появляется нить Ариадны, с помощью которой можно пройти через лабиринт возможностей: организующий принцип. Такой механизм отбора открывает оптимальный маршрут через реальность вероятностей, и иногда, например, в классической физике, он один, определенный конкретным образом, но в других случаях, как в квантовой физике, это набор пиков на диаграмме распределения вероятностей.

Если взять чтение, книга – с введением, основной частью, и да, с заключением – может служить организующим принципом для темы, на которую она написана. Выборы, сделанные автором (-ами), редактором (-ами) и др. создают линейное повествование, которое служит путеводителем через громадный лабиринт информации.

Как Ричард Фейнман понял еще в молодые годы, прототипом для всего этого является оптика. Простыми словами, мы представляем, что свет путешествует по прямой, отражается от зеркал и изгибается в линзах, поскольку он всегда сфокусирован в виде тонкого луча. Но если мы не имеем дело со специально настроенным лазерным лучом, то реальная картина выглядит иначе. Фейнмановское прочтение принципа наименьшего времени Ферма помогло ему догадаться, что каждый луч – не более чем хребет на вершине невидимой горной цепи интерферирующих волновых паттернов. Наименьшее время как организующий принцип приносит порядок в мешанину световых волн в пространстве, и результатом становятся световые лучи.

Фейнман блестяще приложил тот же концепт лабиринта взаимодействующих компонентов – в рамках законов сохранения и организующего принципа – к области элементарных частиц. Как он описал свою общую методологию, выступая в Эсалене: «Моя игра очень интересна. Это воображение в жестких рамках. Позволяется лишь то, что согласуется с известными законами физики»¹⁵².

Джон Уилер восхищался, что интеграл по траекториям Фейнмана заключает в себе сущность диапазона квантовых вероятностей, сводимых к определенному результату, связывая квантовое и классическое непредсказуемым образом. В то время как частицы и поля взаимодействуют любым способом, который физически возможен, взвешенные суммы серий их контактов производят то, что мы реально видим.

Поддержка Уилера вдохновила других великих физиков, таких как Брайс Девитт и Чарльз Мизнер, изучить возможные модели квантовой гравитации. Вопросы, поднятые Уилером по поводу квантовых измерений, сподвигли Хью Эверетта на разработку его многомировой интерпретации, где наблюдатели раскалываются вместе с системой, за которой они наблюдают.

Диаграммы Фейнмана, описывающие возможности интеграла по траекториям, стали полезным инструментом для современных теоретиков. Расширенные на слабое и сильное взаимодействие точно так же как на электромагнетизм, они оказались полезными в развитии Стандартной модели в физике частиц. Стандартная модель, с ее исчерпывающим описанием взаимодействия между силами (исключая гравитацию) и известными материальными компонентами природы, является одной из наиболее успешных схем всех времен.

На протяжении всей жизни Уилер хотел понять наиболее фундаментальные компоненты космоса. Он менял свой подход несколько раз за карьеру, начав с частиц, затем перейдя к полям и геометрии, и, в конце концов, погрузившись в теорию информации. Он хотел понять и организационные принципы, движущие эти компоненты по определенным шаблонам. Интеграл по траекториям, основанный на принципе наименьшего действия, приложенном к квантовой физике, оказался подходящей идеей, но он рассматривал и другие. В конечном итоге он остановился на том, что ответ может дать «контур самовозбуждения»: симбиоз между разумными наблюдателями и тем, что они наблюдают, а именно, прошлым космоса. Неким образом, глядя на то, что происходило когда-то, мы организовали вселенную, извлекли из квантовой пены и сделали такой, какая она есть. Следовательно, с точки зрения Уилера, вопросы «Как возникает бытие?» и «Как возникает квант?» оказались сложным образом связаны.

Сегодня, когда мы превозносим Стандартную модель, мы признаем ее ограничения и хотим за них выйти. Одно из ее упущений просто зияет: она не включает темную материю и темную энергию, невидимые компоненты вселенной, теоретически найденные в последние годы жизни Уилера, но так и не идентифицированные. Темная материя – скрытый «клей», сохраняющий галактики нетронутыми и собирающий их в кластеры.

Вера Рубин, учившаяся в Корнелле в конце сороковых, слушавшая лекции Бете и Фейнмана, выяснила, что такой компонент необходим, еще в шестидесятых-семидесятых, когда вместе с Кентом Фордом изучала вращение галактик в институте Карнеги в Вашингтоне. Оценив несколько спиральных галактик, Рубин и Форд открыли, что звезды в их внешних областях вращаются вокруг центра намного быстрее, чем можно ожидать, если учитывать только видимую материю. Впоследствии в исследование включили больше галактического материала, и дальнейшие наблюдения подтвердили наличие во вселенной темной материи, но не помогли ее найти.

Темная энергия, неизвестное топливо ускоряющегося расширения космоса, является другой великой тайной науки. Как обнаружили две группы исследователей в конце девяностых, вселенная не просто расширяется после Большого взрыва, но скорость этого расширения постоянно растет. В 2011 году руководители этих групп – Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс – получили Нобелевскую премию по физике за данное открытие.

Никто не знает, что заставляет пространство расширяться со все возрастающей скоростью. Ученые не уверены, будет ли она увеличиваться, уменьшаться или останется прежней. Любопытно, но космологическая постоянная, отброшенная Альбертом Эйнштейном после того, как в 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что галактики убегают друг от друга, прекрасно соответствует схеме с учетом темной энергии.

В настоящий момент продолжаются исследования по обнаружению компонентов темной материи и темной энергии. Если ученые смогут определить составляющие того и другого, то им, вероятно, придется модифицировать Стандартную модель. «Кирпичиками» темной материи могут быть аксионы, гипотетические частицы, предложенные физиком Фрэнком Вильчеком, чтобы объяснить, почему сильное взаимодействие, в отличие от слабого, обладает инвариантностью заряд-пространство, и суперсимметричные компаньоны стандартных частиц. Определенные гипотетические расширения Стандартной модели, принятые, чтобы представить низкоэнергетические пределы теории суперструн, предсказывают последний вариант. Природа темной энергии еще сложнее, и заслуживающих доверия гипотез тут немного.

Другая загадка, оставшаяся со времен Фейнмана, Уилера и Девитта – почему гравитация столь нетипична? Почему она намного слабее, чем другие взаимодействия? Как можно описать ее математически последовательно, используя методы квантовой теории поля? Сейчас чаще всего пытаются ее решить, создав унифицированное описание всех взаимодействий, в рамках так называемой М-теории, обобщения теории струн, включающего вибрирующие энергетические мембраны наряду с различными конфигурациями струн (суперсимметричных и не суперсимметричных). Вместо точечных частиц ее фундаментальными частицами являются струны и мембраны масштаба планковской длины, взаимодействующие друг с другом различными способами. Математически достоверным все это выглядит только в пространстве с десятью или одиннадцатью измерениями, и по меньшей мере шесть из них свернуты в похожие на крендели формы, именуемые «пространствами Калаби-Яу».

Теоретики модифицировали диаграммы Фейнмана, чтобы принять в расчет взаимодействия в подобных многомерных пространствах.

Главной проблемой М-теории является то, что она предлагает умопомрачительный набор возможностей для свойств ее компонентов и способов, как пространство Калаби-Яу может быть свернуто. Для последнего некоторые ученые выдают оценку около 10⁵⁰⁰ (десять, за которым следует пятьсот нулей) возможностей: безумно сложный лабиринт, лежащий далеко за пределами ночных кошмаров Борхеса. Сужение «ландшафта» М-теории так, чтобы он включал только реальность и ничего больше – устрашающий процесс, требующий невероятно строгих правил отбора. Физик из Стэнфорда Леонард Сасскинд, друг Фейнмана, предлагал использовать антропный принцип для решения задачи, другие сомневались, что он окажется достаточно сильным, чтобы исключить такое количество альтернатив.

Родственной умозрительной идеей является концепт «мультиверсума», ансамбля из более чем одной вселенной. В отличие от многих миров Эверетта, мультиверсумы существуют в физическом пространстве, пусть даже и в областях, которые мы не можем наблюдать. Модель появилась в восьмидесятых, когда физик Андрей Линде предложил теорию «хаотической инфляции». В этой схеме, которая представляет собой вариацию более ранней модели раздувающейся вселенной Алана Гута, мироздание начиналось как почва для случайных квантовых флюктуаций в том, что именуется «скалярным полем». Особенно успешные флюктуации производят семена вселенных-пузырьков, которые переживают сверхбыстрые интервалы расширения, называемые «эрами инфляции». Растягивание космоса с невероятной быстротой помогает сгладить температурные различия, и оно же объясняет однородность фонового космического излучения, решая проблему, поднятую Мизнером, когда он работал над своей вселенной «Миксмастера».

Идея мультиверсума создает многие странные возможности. Например, в другом пузырьке-вселенной может случайным образом появиться планета, идентичная Земле, но с небольшими отличиями, ну, скажем, где Джона Кеннеди не убили в 1963-м.

Отметим, что нам не нужно много пузырьков-вселенных, чтобы представить аналог или почти аналог Земли, с этой задачей вполне справляется бесконечная единая вселенная. Чем больше планет во вселенной, тем больше шансы, что где-то возникнет копия нашей родной планеты.

Может быть, другая ваша версия в данный момент заканчивает читать эту книгу.

Поздравления всем вам!

Теперь мы достигли заключения в заключении – конечной точки нашего путешествия через время и пространство. Наша охота за призраками прошлого потребовала много изгибов и поворотов, включая встречи с альтер-эго «Джеоном Уилером», «Джоном Вилером», «Р. Финниманом» и знаменитым «Мистером Икс». Мы столкнулись с игроками на бонго, художниками, солипсическими электронами и супругой, ненавидевшей математику. Мы поспали рядом с роскошными отелями и внутри потрепанных, ну а число «диких идей», с которыми мы столкнулись, может ужаснуть.

Но все это время мы придерживались надежного руководящего принципа: интеграл по траекториям говорит нам, что не важно, насколько странным выглядит наш путь через пространство-время, существует много других, еще более причудливых.