Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Благодаря лучшему пониманию поля Хиггса мы можем не только предсказать судьбу космоса, но и выяснить, как работает масса и почему сила фундаментальных взаимодействий имеет именно ту величину, которую мы измеряем. Кроме того, это может указать нам путь к теории, объединяющей все взаимодействия, или помочь нам разобраться с квантовой гравитацией.

Было бы здорово, если бы результаты наблюдений или экспериментов подсказали путь к улучшению модели Лямбда-CDM или Стандартной модели. Потому что с чисто теоретической точки зрения дела обстоят очень и очень странно.

Недавно я наткнулась на старую черно-белую фотографию Поля Дирака, нобелевского лауреата и одного из создателей квантовой механики, на которой он изображен стоящим с топором на плече на территории института перспективных исследований в Принстоне. Во время своих многочисленных визитов туда в период с 1930-х по 1970-е годы он бродил по лесу позади института, расчищая новые пути, по которым могли бы гулять теоретики, обсуждая и обдумывая природу реальности. Меня по этим тропам водил Нима Аркани-Хамед, теоретик, вознамерившийся разнести в щепки наше современное понимание квантовой механики и самого пространства-времени.

Аркани-Хамед разрабатывает метод расчета взаимодействия между частицами, используя совершенно новый подход, основанный на абстрактной математике и не учитывающий пространство и время. Эта работа все еще находится на ранней стадии и пока применяется к определенным идеализированным системам, а не к результатам экспериментов. Однако если у него получится, последствия будут потрясающими. «Пока все, что мы видим, – это просто детские игрушки, верно? Я пойму, если вы не воспримете всерьез то, что было достигнуто до сих пор, – сказал он. – Однако уже начали вырисовываться примеры конкретных физических систем, похожих на те, что мы видим в реальном мире, которые можно описать без всякого пространства-времени или квантовой механики». Когда я ответила, что с трудом могу себе представить существование во Вселенной, где пространство и время не являются чем-то реальным, он рассмеялся: «Добро пожаловать в наш клуб».

Прежде чем вы отбросите эту идею как преувеличение эксцентричного теоретика, я должна отметить, что в таком ключе думает не только Аркани-Хамед. «Я уверен, что вы слышали это от многих людей, – сказал мне Клиффорд Джонсон несколько месяцев спустя, – я думаю, что мы всё лучше понимаем одну из идей, о которой долго говорили в рамках теории струн, – то, что пространство-время не является чем-то фундаментальным».

А, эту мелочь. Ну да, разумеется.

Джонсон подходит к вопросу несколько иначе. В теориях квантовой гравитации есть интригующие намеки на неожиданные связи между физикой, действующей в малых и больших масштабах, которые не имеют смысла в рамках нашего привычного понимания пространства-времени. Упрощенно это можно объяснить так: если вы представите, что проводите некие эксперименты в гипотетическом пространстве с радиусом R, то их результаты будут в точности совпадать с результатами таких же экспериментов, проведенных в гораздо меньшем пространстве с радиусом равным 1/R. В теории струн это называется T-дуальностью, и такое странное совпадение должно сообщить нам что-то важное. «Если вы спросите коллег, – сказал Джонсон, – они ответят, что в некотором роде ничего из этого не является реальным. В том смысле, что, подрывая понятия большого и малого, вы, по сути, подрываете понятие самого пространства-времени».

Некоторые теоретики пытались меня успокоить. Шон Кэрролл, космолог из Калифорнийского технологического института, который в настоящее время занимается основами квантовой механики, считает, что мы поторопились, исключив пространство-время из списка реальных вещей. «Оно реально, но не фундаментально, – сказал он. – Так же, как вот этот стол реален, но не фундаментален. Это просто более высокий уровень эмерджентного описания и не значит, что нечто не является реальным». Вообще, нам не следует слишком сильно зацикливаться на этом, поскольку речь не идет о том, что пространства-времени не существует. Просто если бы мы действительно поняли, из чего оно состоит, то на более глубоком уровне оно выглядело бы как нечто совершенно иное.

Но меня это не успокоило[85]. Как физик я всегда стараюсь бесстрастно подходить к своему предмету, однако при мысли о том, что пространство-время реально лишь в том смысле, что о нем можно говорить и на нем можно сидеть, но оно не является основой Вселенной, мне начинает казаться, что оно в любой момент может просто исчезнуть подо мной.

Вопрос о том, какое отношение это имеет к возможному концу Вселенной, остается открытым. Каким бы реальным или нереальным ни было пространство-время, мы живем в нем, и то, что с ним происходит, не может не затронуть нас. Однако если размышления об эмерджентном пространстве-времени или новых формулировках квантовой механики приведут нас к более глубокой фундаментальной теории, это может радикально изменить наше мировоззрение. Возможно, как считает Джонсон, связи между большими и малыми масштабами действительно предполагают совершенно иную судьбу космоса. Может быть, если бы мы пересмотрели квантовую механику, то, наконец, сумели бы объяснить темную энергию. Даже если мы остановимся на космологической постоянной и неминуемой тепловой смерти, согласно Аркани-Хамеду, нам все равно потребуется серьезно пересмотреть теорию, чтобы иметь возможность рассуждать о том, на что способны квантовые флуктуации с точки зрения больцмановского мозга или теоремы Пуанкаре о возвращении. «На мой взгляд, очень маловероятно, что все это может быть осмыслено и объяснено в рамках квантовой механики, – сказал он. – Я думаю, что нам требуется некоторое расширение квантовой механики для того, чтобы говорить об этом».

Вопрос о том, в какой степени природа Вселенной в принципе объяснима, тоже остается открытым. На протяжении последнего десятилетия физики пытались разобраться с концепцией ландшафта – гипотетической мультивселенной, состоящей из различных параллельных Вселенных, условия в которых радикально отличаются от наших. Если такой ландшафт действительно существует, это может означать, что свойства пространства, в котором мы живем, являются исключительно вопросом экологии, а не заданы каким-то глубоким, пока не известным нам принципом. Такой вид мультивселенной предусматривается в некоторых версиях теории инфляции, допускающих постоянное возникновение новых пузырьковых Вселенных в извечном пространстве. «Идея о том, что наш мир является уникальным решением, представляется мне ошибочной, – говорит Аркани-Хамед. – Но, с другой стороны, когда вы пытаетесь осмыслить концепцию ландшафта и вечной инфляции, вы попадаете в такое болото, что сама постановка проблемы начинает казаться неправильной». Даже если допустить существование множества Вселенных, главная проблема никуда не исчезнет. «Вопросы применимости квантовой механики к космологии возникли почти с самого начала. В них нет ничего нового. Они казались очень сложными пятьдесят лет назад; они остаются таковыми и сегодня».