Стивен Хокинг - Великий замысел
Если Вы воссоздаете историю Вселенной снизу вверх, нет никакой причины, что Вселенная должна закончиться с внутренним пространством для взаимодействий частицы, которые мы фактически наблюдаем, стандартная модель (взаимодействие элементарных частицы). Но при нисходящем подходе мы признаем, что вселенные существуют со всеми возможными внутренними пространствами. В некоторых вселенных электроны имеют вес мячей для гольфа и сила гравитации сильнее, чем то магнетизм. У нас применяется стандартная модель, со всеми ее параметрами. Можно рассчитать амплитуду вероятности для внутреннего пространства, которая приводит к стандартной модели исходя из безграничных условий[14]. Как с вероятностью того, что у Вселенной есть три масштабных пространственных измерения, не имеет значения, насколько мала эта амплитуда относительно других возможностей, потому что мы уже заметили, что стандартная модель описывает нашу Вселенную.
Теория, которую мы описываем в этой главе, может быть проверена на практике. В предшествующих примерах мы подчеркнули, что относительные амплитуды вероятности для радикально различных вселенных, таких как те, у которых число масштабных пространственных измерений различно, не имеют значения. Относительные амплитуды вероятности для граничащих (то есть, подобных) вселенных, однако, важны. Безграничные условия подразумевают, что амплитуда вероятности наиболее высока для историй, в которых Вселенная начинается совершенно однородной. Амплитуда уменьшается для вселенных, которые более неравномерны. Это означает, что ранняя Вселенная была бы почти однородной, но с маленькими неравномерностями. Как мы отметили, мы можем наблюдать эти неравномерности в виде маленькие вариаций в микроволнах, исходящих из различных направлений в небе. Как обнаружилось, они полностью согласуются с главными требованиями теории инфляции; однако более точные измерения необходимы, чтобы полностью дифференцировать нисходящую теорию от других, и либо подтвердить ее, либо опровергнуть. Они могут хорошо быть выполнены в будущем с помощью спутников.
Сотни лет назад люди думали, что Земля уникальна и расположена в центре Вселенной. Сегодня мы знаем, что существуют сотни миллиардов звезд в нашей галактике, большой их процент с планетарными системами, и сотни миллиардов галактик. Результаты, описанные в этой главе, указывают, что сама наша Вселенная — также одна из многих, и что ее наблюдаемые законы не определены однозначно. Это должно быть неутешительно для тех, кто надеялся, что окончательная теория, теория всего, предскажет природу повседневной физики. Мы не можем предсказать дискретные особенности, такие как число масштабных пространственных измерений или внутренних пространств, определяющих физические параметры, которые мы наблюдаем (например, массу и заряд электрона и других элементарных частиц).
Скорее мы используем эти цифры, чтобы выбрать, какие истории вносят вклад в сумму Фейнмана.
Мы, кажется, живем в критический момент в истории науки, в котором мы должны изменить свою концепцию задач и того, что делает физическую теорию приемлемой. Похоже, что фундаментальные параметры и даже форма наблюдаемых законов природы не обусловлены логическим или физическим принципом. Параметры могут принимать множество значений, а законы принимать любую форму, которая приводит к самосогласованной математической теории, и они действительно принимают различные значения и различные формы в различных вселенных. Это, вероятно, не удовлетворяет нашему человеческому желанию быть особенным или обнаружить аккуратный пакет, содержащий все законы физики, но это, кажется, действительно особенность природы.
Похоже, есть бескрайний пейзаж возможных вселенных. Однако, как мы увидим в следующей главе, вселенные, в которых может существовать жизнь подобно нашей, редки. Мы живем в той, в которой жизнь возможна, но если бы Вселенная была всего лишь немного отлична, то существа, как мы, не могли бы существовать. Как можно расценивать эту точную настройку? Является ли это свидетельством того, что Вселенная все-таки была спроектирована благосклонным создателем? Или наука предлагает другое объяснение?
7. Несомненное чудо
Китайцы рассказывают о времени в годы правления династии Ся (2205–1782 до Р. Х.), когда на нашем небе произошли внезапные изменения. На небе появилось несколько солнц. Люди на Земле очень страдали из-за жары, поэтому император приказал известному лучнику сбить лишние светила. Лучник был награжден снадобьем, которое делало бы его бессмертным, но его жена украла его. За это преступление ее изгнали на Луну.
Китайцы были правы, считая, что солнечная система с десятью солнцами не подходит для жизни человека. Теперь мы знаем, что, обеспечивая излишним теплом, любая солнечная система с несколькими солнцами вероятно никогда не позволит развиться жизни. Но причина все-таки совсем не так проста, как «обжигающее пекло» из китайской легенды. Фактически, планета может иметь подходящую температуру даже с несколькими солнцами, хотя бы на некоторое время. Но равномерное нагревание в течение продолжительного времени, ситуация, казалось бы, подходящая для жизни, не обещала бы ничего хорошего. Чтобы понять почему, давайте рассмотрим, что произойдет в системе простейшего типа с двумя солнцами, которая называется бинарной системой. Около половины всех звезд на небе входят в такие системы. Но даже простые бинарные системы могут иметь стабильные орбиты только определенного типа. На каждой из этих орбит, вероятно, будет момент, когда на планете будет либо слишком жарко, либо слишком холодно, чтобы поддерживать жизнь. Еще хуже ситуация для скопления большего количества звезд.
Наша солнечная система имеет другую «счастливую» особенность, без которой сложные жизненные формы никогда бы не смогли развиться. Например, законы Ньютона разрешают орбитам планет иметь либо форму окружности, либо эллипса (Эллипсы являются сплющенными окружностями, шире по одной оси и уже по другой). Степень, с которой эллипсы сплющены, называется «эксцентриситет», значение которого лежит между нулем и единицей. Эксцентриситет, близкий к нулю, означает, что форма близка к окружности, а эксцентриситет, близкий к единице, означает, что форма очень сплющена. Кеплер опроверг идею, что планеты не вращаются по идеальным окружностям, но орбита земли имеет эксцентриситет около 2 процентов, что означает почти идеальную окружность. Как оказывается, это — счастливое стечение обстоятельств.
Погодные сезонные периоды на Земле определяются, в основном, наклоном земной оси вращения относительно плоскости своей орбиты вокруг Солнца. Зимой в северном полушарии, например, северный полюс отклонен от Солнца. Тот факт, что в это время Земля находится на самом близком расстоянии к Солнцу — 91.5 миллионов миль, в отличие от 94.5 миль в начале июля — незначительно влияет на температуру, по сравнению с эффектом от наклона ее оси. Но для планет, имеющих большой эксцентриситет, различные расстояния от Солнца играют большую роль. На Меркурии, например, с 20 % эксцентриситетом, температура на 200 градусов по Фаренгейту выше, когда планета приближается к Солнцу (перигелий), чем когда она находится на самом далеком расстоянии от Солнца (афелий). Фактически, если бы эксцентриситет земной орбиты приближался к единице, наши океаны закипели, когда мы достигали ближайшей точки к Солнцу, и замерзали, когда бы мы удалялись, не создавая приятных условий для отпуска ни зимой, ни летом. Большой орбитальный эксцентриситет не благоприятен для жизни, поэтому нам посчастливилось, что наша планета имеет эксцентриситет, близкий к нулю.
Также удача в соотношении массы нашего Солнца и расстоянии от него. Потому что масса Солнца определяет количество энергии, которое оно выделяет. Большие звезды имеют массу, больше солнечной, более чем в сотни раз, тогда как маленькие — в сотни раз меньше. И еще, предполагая, что дистанция между Землей и Солнцем остается такой же, а наше Солнце имело бы массу на 20 % меньше или больше, то на Земле было бы холоднее, чем сейчас на Марсе, или жарче, чем на Венере.
Обычно, рассматривая какую-либо звезду, ученые определяют пригодную для жизни зону, как узкое пространство вокруг звезды, в которой температура позволяет существовать воде в жидком состоянии. Пригодную для жизни зону иногда называют «зоной Златовласки», потому что условие, чтобы вода была жидкой, означает, что подобно Златовласке, развитие разумной жизни требует, чтобы температура планеты была «в самый раз». Пригодная для жизни зона в нашей солнечной системе, описанная выше, является очень узкой. К счастью для тех, кто наделен разумом, Земля угодила в нее!
Ньютон считал, что наша удивительная, пригодная для жизни солнечная система не «возникла из хаоса с помощью законов природы». Напротив он настаивал, что порядок во Вселенной был «создан Богом и поддерживается им до этих дней в том же состоянии и тех же условиях». Легко понять, почему он так думал. Много невероятных совпадений, которые произошли, чтобы дать нам существование, и дружественное человечеству устройство мира, действительно приводят в замешательство, если бы только наша солнечная система была единственной во Вселенной. Но в 1992 году поступили первые подтвержденные наблюдения за орбитами планет других звезд, как наше Солнце. Теперь мы знаем сотни таких планет, и можно предположить, что существует множество других среди многих миллиардов звезд в нашей Вселенной. Случайное совпадение наших планетарных условий — единственное Солнце, удачная комбинация расстояния между Землей и Солнцем, а также солнечная масса — гораздо менее удивительно, чем то, что Земля была аккуратно устроена как раз для благоприятного существования человечества. Существует много разных планет. На некоторых — минимум на одной — есть жизнь. Понятно, что когда живые существа на планете, которая поддерживает жизнь, изучают мир вокруг себя, они обязаны признать, что окружающая их среда соответствует условиям для их существования. Это позволяет преобразовать последнее утверждение в научный принцип: Именно наше существование устанавливает правила, определяющие, где и когда возможно наблюдать мир. Сам факт нашего существования вводит ограничения на условия окружающей среды, в которой мы находимся. Этот принцип называется слабым антропным принципом (обусловленный влиянием человека). (Мы скоро увидим, почему применено прилагательное «слабый»). Вместо термина «антропный принцип» лучше было бы использовать «принцип отбора», потому что этот принцип указывает на то, как наши знания о нашем существовании устанавливают правила, которые отбирают из всех возможных сред, только те среды, условия на которых позволяют существовать жизни.
