Максим Либанов: 
Почему наш мир таков, каков он есть

На первой встрече из цикла естественнонаучных лекций в рамках проекта «Интеллектуальный базар» участники проекта «Сноб» узнали, кто «мы» во Вселенной с точки зрения физики. Цикл естественнонаучных лекций был запущен международным проектом «Сноб» и коммуникационной группой Aegis Media в 2012 году в рамках проекта «Интеллектуальный базар», который Aegis Media ведет с 2008 года

Фото: Getty Images/Fotobank
Фото: Getty Images/Fotobank
+T -
Поделиться:

Людям свойственно искать во всем гармонию. Мы задаем себе вопросы: почему встает Солнце? Почему текут реки? Что такое жизнь? Зачем мы живем? На большинство вопросов мы получаем ответ еще в детстве, особенно на вопросы «почему». В меньшей степени мы знаем ответ на вопрос, что такое жизнь, еще меньше — о вопросах, которые начинаются с «зачем».

Поиск гармонии и взаимосвязей в мире — неотъемлемое свойство мозга. Анализируя данные, мозг выявляет существенные связи (если в мороз не надеть шапку, отморозишь уши) и ставит их на полку до подходящего случая. Если бы мозг запоминал весь объем информации, связанной с фактом (шапка была красная или синяя?), он не смог бы потом разобраться в этом хаосе разрозненных фактов.
Поэтому мы молчаливо предполагаем, что за многообразием явлений прячется набор довольно простых законов и принципов, описывающих настоящее и прошлое, позволяющих предсказывать будущее. Наука как раз и занимается выявлением этих законов, но, сформулировав очередной закон, вновь спрашивает: «А почему?»
В настоящее время мы считаем, что миром правят законы квантовой физики и общей теории относительности. В их основе лежат принципы симметрии, то есть некая форма гармонии, не вызывающая вопросов. Собственно, сами уравнения следуют только из симметрии и ни из чего другого. Проблема в том, что в уравнения входят некие постоянные величины — константы. Они должны быть заданы изначально. А если бы они были другими?
Тут есть два возможных ответа. Возможно, на самом деле константы и не могут быть другими, как не может быть другим число π, число е или диагональ квадрата. Просто наука еще не смогла доказать, что любое другое число в данном случае непоправимо нарушало бы гармонию природы. Но физики не любят гадать на кофейной гуще и исходят из того, что эти константы просто такие, какие они есть. Фиксированы экспериментом и наблюдениями. Другое значение массы электрона, если подставить его в существующую (видимо, несовершенную) теорию, саму теорию нисколечко не испортит, не нарушит ее гармонию и симметрию. А значит, интересно посмотреть, что будет, если эти величины примут чуть-чуть другие значения?
Результат таков: мир изменится до неузнаваемости. Это доказывают примеры.

  1. Земной мир, который мы видим. Можно доказать, что фундаментальные постоянные определяют размеры атомов и силу их взаимодействия. Отсюда не так уж сложно вычислить возможные размеры звезд и планет, высоту гор (таких, чтобы их не разрушило тяготение и приливные силы), максимальный размер живых существ (таких, чтобы их кости не ломались под тяжестью их веса). Получается вот что: горы около 20 км (именно таков разброс высот на Земле), живые существа размером порядка 200 см (да это же мы с вами!). Других просто не может быть.
  2. Химический состав Вселенной. При данных соотношениях масс протона, нейтрона и электрона можно посчитать, что в ранней Вселенной должно быть около 25% гелия, остальное водород. Так оно и было. Если бы протон был чуть тяжелее, мир был бы заполнен нейтронами, которые не могли бы распадаться на протон и электрон. Если бы он был чуть легче, не смогли бы существовать тяжелые элементы. Вокруг был бы один водород, к тому же довольно холодный (не могли бы проходить термоядерные реакции в звездах). Оба варианта представляют довольно скучные картины мира, где нам нет места.
  3. Размерность пространства. Она у нас, как мы знаем, равна трем. А могло бы быть больше или меньше? Законы физики в принципе можно записать для любого числа измерений. Но из этих законов следует, что при размерности больше трех не может существовать устойчивых орбит планет и устойчивых состояний электронов. При четных размерностях распространение волн будет искажаться реверберацией (нечто вроде ряби на двумерной поверхности воды). Итак, размерность пространства — три, в других пространствах мы не могли бы существовать.
  4. Вся Вселенная. В уравнения Эйнштейна входит «космологическая постоянная», которая может быть, вообще говоря, любой, положительной или отрицательной. Она может быть равна нулю, что наиболее логично из соображений симметрии. Но если она не равна нулю, ее наиболее «логичная» оценка дает огромную величину, в триллион триллионов (и так 10 раз) триллионов раз больше, чем плотность материи во Вселенной. Однако эксперименты и наблюдения показывают, что она хоть нулю и не равна, но в триллион триллионов (10 раз) триллионов раз меньше «логичной» оценки. При этом будь она побольше, Вселенная бы не могла существовать: едва возникнув, она или мгновенно разлетелась бы, не успев сформировать ничего интересного, или тут же схлопнулась бы в точку.

Почему все в мире оказалось так удачно подогнано к тому, чтобы сделать его уютным и обитаемым? Может быть, потому что в любом другом мире не было бы нас с вами — существ, которые привыкли искать во всем гармонию и ради этого выдумали науку физику? Физики называют эту идею антропным принципом. Точнее, таких принципов два.
Сильная формулировка: Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни, то есть наблюдатели необходимы для обретения Вселенной бытия.
Слабая формулировка: Во Вселенной возможны любые значения мировых констант, но наблюдение некоторых значений более вероятно, поскольку в регионах, где наблюдаются такие значения, выше вероятность возникновения наблюдателя. То есть там, где наблюдаются другие значения, нету наблюдателей.
Сильный антропный принцип никак не помогает познанию мира, он равносилен ответу: «Скажите спасибо, что вы существуете, и не задавайте лишних вопросов». Слабый антропный принцип, напротив, представляет собой вполне действенный инструмент познания и даже позволяет предсказывать новые явления, которые можно подтвердить экспериментом. В качестве примера можно привести существование резонансных уровней в атоме углерода: благодаря им в звездах происходит синтез тяжелых элементов, из которых мы состоим, и углерода в том числе.
Но у слабого антропного принципа есть и еще один возможный вывод, который (пока) экспериментальной проверке не подлежит. Он предполагает, что на самом деле существуют разные вселенные (можно назвать их «области мироздания», но это ничего не меняет). В этих вселенных мировые константы могут принимать все возможные значения, однако жизнь (то есть наблюдатели) возникают лишь в тех из них, где константы не слишком отличаются от наших. Как же и где существуют эти вселенные? Возможны три ответа.

  1. По очереди. Вселенная вечна и циклична. Проходя через циклы сжатия-расширения, она случайным образом принимает те или иные значения параметров, в том числе и такие, при которых она больше не может сжиматься (последний цикл). На этом последнем этапе и возникает жизнь.
  2. Параллельно. Множество вселенных возникает в каждый момент времени за счет перманентной редукции волновой функции, что в принципе не противоречит квантовой механике.
  3. В вечном «нигде» и «никогда». Из квантовомеханической пространственно-временной пены (то есть ни во времени, ни в пространстве) за счет квантовых флуктуаций возникают области классического пространства-времени. Некоторые тут же схлопываются, некоторые раздуваются до огромных размеров. Одна из этих областей и есть наша Вселенная.
  4. В струнном ландшафте. Теория струн — возможная замена квантовой теории поля. Теория струн действует в 10-мерном пространстве, однако часть измерений в ней «свернута» в окружности очень малой длины, из-за чего мир и представляется трехмерным (так издали трехмерный шланг кажется линией, а трехмерная дальняя галактика — точкой). Считается, что теория струн способна предсказать значения всех мировых констант, не оставив места произволу. Однако выясняется, что «реконструкцию» реального мира из теории струн можно провести огромным числом (десять в пятисотой степени) способов. Такие варианты реконструкции называют «вакуумными состояниями». В каждом из них свой набор констант. Пространство таких состояний называют «струнным ландшафтом», и в маленькой области этого ландшафта может появиться наша Вселенная, в которой появились мы.

Критики этой идеи говорят: какой смысл толковать о мультивселенных, если они в принципе непознаваемы? Но на самом деле никто не может гарантировать, что они непознаваемы. Вспомним, что Резерфорд, открывший ядерные реакции, категорически отрицал возможность их использования в промышленных целях. Через 20 лет его открытие привело к созданию атомной бомбы. Если физикам удастся найти экспериментальные подтверждения теории струн, возможно, мы получим какие-то знаки, что струнный ландшафт — реальность.  Может быть, мы сможем прорыть кротовую нору и исследовать другие вселенные. Тогда уникальность нашей Вселенной получит какое-то объяснение. Но пока мы лишь знаем, что она уникальна, и объяснить этот удивительный факт науке лишь предстоит.

С отчетом о лекции можно ознакомиться здесь.

Комментировать Всего 5 комментариев

Максим, скажите, а у Вас есть визуальный образ нашей вселенной или струнного ландшафта? И если нет, то каким образом Вам удается постигать такие сложные и абстрактные понятия?

Заранее благодарю за ответ!

Просто наука еще не смогла доказать, что любое другое число в данном случае непоправимо нарушало бы гармонию природы

Не знаю, как определяют "гармонию природы", и тем более - что за беда в её нарушении?

Получается отсылка от Понтия к Пилату. 

Эту реплику поддерживают: Алексей Насретдинов

Не совсем удачное выражение, возможно (беру ответственность на себя, поскольку редактировал текст). Имеется в виду примерно вот что.

Вот например рассмотрим утверждение:

"Утверждение в этих кавычках ложно"

С ним что-то не так. Оно не может быть ни правдой, ни неправдой, оно противоречиво внутренне, то есть бессмысленно. Ну так вот есть мнение, что утверждение "Постоянная тонкой структуры не равна 1/137" в такой же степени внутренне противоречиво, будучи взято вкупе с другими законами физики.

спасибо, очень интересно

Антропный принцип vs чернодырный принцип

Этот рассказ будет неполным, если не сделать одно добавление.

Наряду с антропным принципом, существует аналогичный чернодырный принцип, предложенный Смолиным. Будем исходить из того, что каждая черная дыра в нашей Вселенной – начало какой-то новой вселенной, с НЕМНОГО другими значениями параметров. При этом процесс рождения вселенных из черных дыр вечен. Тогда вселенные, в которых больше черных дыр, будут оставлять больше "потомства". В результате естественного отбора (за бесконечное время!) подавляюще преобладать будут вселенные, роождающие больше всего черных дыр. Остается только посмотреть, при каком значении мировых констант возникновение черных дыр будет наиболее вероятно. А вовсе не "при каком значении констант наиболее вероятно возникновение Максима Либанова". То есть если бы Максим Либанов внятно объяснил все до конца, этот аргумент еще как-то держался бы, но поскольку понимания у ученых нет, я голосую за чернодырный принцип.