Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Иначе говоря, значения параметров, выраженные в каких-то единицах, почти никогда не относятся к делу, поскольку, очевидно, они зависят от того, какие единицы выберешь. Я об этом заговорил, поскольку есть несколько способ комбинировать физические постоянные так, чтобы все единицы сократились. Вот, например, так называемая постоянная тонкой структуры (коротко — ПТС), представляющая собой просто число безо всяких единиц.
Что это за буковки? В этом уравнении e — заряд электрона, с — само собой, скорость света, а ћ — постоянная Дирака, она же приведенная постоянная Планка[46]. Она вылезает везде, где замешана квантовая механика.
Значение постоянной тонкой структуры составляет примерно 1⁄137,035 999 08, и она входит в число самых точно подсчитанных постоянных за всю историю физики. И при всей этой точности мы не имеем ни малейшего представления, откуда она взялась. С числами в чистой математике так не бывает. Например, число p вполне можно вывести из основных принципов, даже если вы в жизни не видели круга. Вот как об этом говорит Ричард Фейнман:
Мы прекрасно знаем, какие танцы надо исполнить в экспериментах, чтобы измерить это число с очень большой точностью, но не понимаем, какие танцы надо исполнить на компьютере, чтобы получить это число — разве что тайком ввести его туда!
ПТС — это мера силы электромагнитного взаимодействия и, как вы, вероятно, заметили, она гораздо меньше единицы. С объективной точки зрения электромагнитная сила очень слаба. С другой стороны, по сравнению с другими взаимодействиями электромагнетизм неимоверно силен. Задумайтесь хотя бы о том, что электростатическое отталкивание между нашими кроссовками и полом с легкостью преодолевает гравитационное притяжение всей Земли!
В наших стандартных моделях космологии и физики частиц присутствует по меньшей мере 25 разных безразмерных и, судя по всему, независимых параметров. Предположим, мы возьмем и изменим одну только ПТС. Что будет?
Если бы ПТС была, например, больше 0,1 (примерно в 14 раз больше измеряемой величины), то углерод — а следовательно, и все элементы тяжелее углерода — не мог бы производиться в звездах. Это была бы катастрофа для углеродных форм жизни.
Или возьмем другой параметр — силу сильного ядерного взаимодействия, того самого, благодаря которому не рассыпаются ядра атомов. Если увеличить константу сильного взаимодействия всего на четыре процента, протоны быстро связывались бы друг с другом и формировали гелий‑2, изотоп, у которого вообще нет нейтронов. Звезды быстро выгорали бы и вырабатывали бы только инертный гелий — и ничего интересного так не возникло бы.
Похоже, так же обстоят дела с большинством фундаментальных постоянных. Мы живем во вселенной, где соотношение параметров таково, что обеспечивает наше существование. Это позволяет сделать всего три варианта выводов — причем все они не слишком соблазнительны.
1. Вселенная создана конкретно для людей или для сложной жизни в целом.
2. Параметры вселенной естественным образом следуют из какого-то еще не открытого закона физики, и нам просто чертовски повезло, что этот закон допускает наше существование.
3. Параметры во множественной вселенной варьируются, и по необходимости мы живем в одной из областей (возможно, очень редких), которая способна обеспечить условия для жизни (потому что при другом развитии событий нас бы не было).
Первый вариант попросту не имеет отношения к физике, вот почему он мне не нравится. Второй вариант, похоже, соответствует истине, однако физикам еще предстоит открыть Теорию Всего. А пока об этом можно сказать очень мало, и поэтому второй вариант оставляет у меня ощущение глубокой неудовлетворенности. Что же можно сказать о третьем варианте?
Вместо того чтобы задаваться вопросом, что бы случилось, если бы изменилась ПТС (или любой другой параметр), можно задаться вопросом, ответ на которые дадут наблюдения — вопросом о том, меняется ли она вообще, — а для этого придется заглянуть в пучины пространства.
Если мы хотим посмотреть, как меняется вселенная на космологических расстояниях от нас, придется начать с наблюдения объектов, которые находятся от нас на расстоянии в миллиарды световых лет. К счастью, природа обеспечила нас идеальными маяками — квазарами. В сущности, квазары — это гигантские черные дыры, впитывающие огромные количества вещества. Поскольку вещество падает в них с околосветовой скоростью, оно нагревается и производит излучение в достаточном количестве, чтобы его было видно в дальних уголках Вселенной.
Пространство между нами и квазарами заполнено облаками газа, и этот газ отчасти поглощает излучение по пути к нам. Облака поглощают свет только в определенном диапазоне длин волн, и эти длины определяются значением ПТС. Стоит изменить ПТС, и этот диапазон тоже изменится.
Начиная с 1999 года Джон Уэбб из Университета Нового Южного Уэльса и его сотрудники проверяют, меняется ли ПТС со временем и расстоянием, а для этого они наблюдают фотоны, поглощаемые разнообразными ионами железа и магния в очень далеких облаках. Изучая относительные длины волн поглощенных фотонов, ученые получают возможность сравнить ПТС на космологических расстояниях с тем, что получается по данным лабораторных измерений здесь, на Земле.
Результаты получились крайне неожиданные. Данные наблюдений далеких галактик в одной области неба показывают, что ПТС там примерно на одну стотысячную больше, чем на Земле, а в другой области — на одну стотысячную меньше.
Если эти результаты верны, их значение колоссально. Выходит, что ПТС почему-то варьируется в разных областях вселенной — и не надо забывать, что мы, прежде всего, не знаем, откуда вообще берется значение ПТС. Это плевок в лицо космологическому принципу.
Два очень важных факта. Во-первых, даже если этот результат верен, отклонение необычайно мало. Все то, что наблюдали Уэбб с коллегами, не делает ни тот, ни другой конец наблюдаемой вселенной непригодным для человеческой жизни. Для этого пришлось бы забираться неизмеримо дальше. Во-вторых, большинство физиков пока еще не убеждены, что результат верен. Сигнал относительно слаб, и целый ряд других исследовательских групп его не подтверждают. Лично я пока не собираюсь подбираться к своим учебникам с большой бутылью штрих-корректора. Если законы физики в пределах вселенной и меняются, то очень-очень мало.
В этой бочке дегтя есть, однако, и ложка меда. Даже если это отклонение и вправду есть, оно так незначительно, что мы можем ввести еще одну симметрию.
Трансляционная симметрия: законы физики в точности одинаковы во всех местах во Вселенной.
Крупномасштабная однородность — общее единообразие — структуры вселенной показывает, или по крайней мере предполагает, что во вселенной заложена трансляционная симметрия.
Сферы Дайсона и бесконечность вселенной
Итак, на самом крупном масштабе во вселенной нет никаких «особых» мест, а из этого следует, что налицо трансляционная симметрия физических законов. В этом и состоит первая часть космологического принципа.
Вторая часть космологического принципа звучит очень похоже — но есть одна хитрость. Вселенная не просто везде (приблизительно) одинакова — она еще и выглядит более или менее одинаково во всех направлениях. Между прочим, одно из другого совсем не следует. Скажем, соты (или куб Борга) примерно одинаковы, в какой бы ячейке вы (если вы пчела) ни оказались. С другой стороны, поскольку ячейки шестиугольны, вид, открывающийся перед вами, зависит от того, куда вы смотрите — в угол или на одну из сторон. Поэтому соты не изотропны.
А как же вселенная? На что она больше похожа — на надувной мяч или на соты?
Чтобы исследовать вселенную на очень крупных масштабах, лучше всего рассмотреть реликтовое микроволновое излучение. Как я уже упоминал, реликтовое излучение сохранилось с тех пор, когда вселенная была куда моложе нынешнего.
Это излучение не вполне однородно. Какие-то его участки чуть-чуть теплее среднего, какие-то холоднее. Эти различия — космологический эквивалент статического электричества на экране старого телевизора. Они отражают последствия случайных квантовых флуктуаций на очень ранних этапах развития вселенной.
Однако разница между ними минимальна — всего в одну стотысячную. Хотя карта выглядит очень равномерной — пятнышки распределены на ней более или менее случайным образом — многие исследовательские группы проделали детальный анализ в поисках относительно более структурированных направлений.
И обнаружили кое-какие отличия от однородности, получившие название «Ось зла». В сущности, наличие Оси зла означает, что во вселенной имеется некая особая ориентация и предпочитаемое направление.
