Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

В противоположность ей наш уголок Вселенной является безопасным гнёздышком в одной из долин, где плотность энергии минимальна. В этой долине поле Хиггса отлично от нуля, вакуум наполнен хиггсовской жидкостью, и все частицы имеют массу. Атомы ведут себя как положено атомам, и жизнь процветает. Полный ландшафт теории струн весьма напоминает только что описанный, только он бесконечно богаче самыми неблагоприятными для существования жизни возможностями. Дружественные обитаемые долины представляют крайне редкое исключение. Но об этом позже.

Почему в каждом примере мы живём в нижней части долины? Является ли это общим принципом? Без сомнения, да.

Качение по Ландшафту

Герман Минковский умел глаголом жечь сердца физиков. Вот что он сказал о пространстве и времени: «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность». Так говорил Минковский о специальной теории относительности – двухлетнем детище Эйнштейна. Это был тот самый Минковский, который объявил миру, что пространство и время должны быть объединены в единый четырёхмерный пространственно-временной континуум. Из четырёхмерного взгляда на мир следует, что если Законы Физики могут меняться от одной точки пространства к другой, то точно так же они должны меняться со временем. Следовательно, обычные законы природы, даже закон всемирного тяготения, могут меняться: внезапно или постепенно.

Представьте себе, что через физическую лабораторию проходит длинноволновое радиоизлучение. Радиоволны, являясь возмущением электромагнитного поля, состоят из колебаний электрического и магнитного полей. Если длина волны велика, то при прохождении волны через лабораторию каждое колебание будет занимать много времени. Для драматизации ситуации предположим, что длина волны составляет два световых года. В этом случае поля, измеряемые в лаборатории, будут в течение полугода увеличиваться, а затем следующие полгода снова уменьшаться до нуля.[40] Если измеряемое в лаборатории поле равно нулю в декабре, то своего максимума оно достигает в июне.

Медленно изменяющиеся поля приведут к тому, что поведение электронов тоже будет меняться со временем. В зимние месяцы, когда поля малы, электроны, атомы и молекулы будут вести себя как обычно. Летом, когда значения полей максимальны, электроны будет двигаться по странным орбитам, а атомы будут сжаты в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Электрическое поле также вносит искажения в форму атомов, растягивая электроны и ядра в противоположных направлениях. В итоге получается, что Законы Физики изменяются в зависимости от сезона!

А что с полем Хиггса? Может ли и оно меняться со временем? Вспомните, что обычное пустое пространство заполнено хиггсовским полем. Представьте себе, что некий тёмный властелин-физик изобрёл космический пылесос смерти, способный высасывать из пространства частицы Хиггса. Этот пылесос настолько мощный, что может перетащить всю Вселенную или большую её часть на вершину горы, находящуюся в центре пространства Хиггса. В результате этого во Вселенной произойдут страшные события: атомы дезинтегрируют, и жизнь прекратится. Но интереснее всего то, что произойдёт потом. Допустим, что Хиггс-шафт на самом деле является ландшафтом с высокой вершиной, разделяющей две глубокие долины. Вселенная поведёт себя подобно шарику от подшипника, балансирующему на острие ножа, готовому от малейшего толчка упасть с него в правую или левую долину. Очевидно, что такое состояние нестабильно и малейшее возмущение отправит шарик в одну из долин.

Если поверхность ландшафта совершенно гладкая и трение отсутствует, то шарик, свалившись в долину, не остановится на её дне, а прокатится дальше, поднявшись по склону, после чего покатится в обратную сторону и снова заберётся на вершину горы и так до бесконечности. Но если незначительное трение всё же присутствует,[41] то шарик в конце концов остановится на дне одной из долин.

Так же ведёт себя и поле Хиггса. Вселенная «катается» по Ландшафту, пока не остановится в одной из долин, сформировав обычный вакуум.

Дно долины является единственным местом, где воображаемый шарик может оставаться в покое. Помещённый на склоне, шарик будет катиться вниз. На вершине холма шарик будет находиться в неустойчивом равновесии. Таким образом, единственным возможным стабильным видом вакуума с неизменными Законами Физики является вакуум на дне долины Ландшафта.

Дно долины, в которой упокоится Вселенная, не обязательно должно быть самой низкой точкой Ландшафта. Горный хребет может содержать много долин, каждая из которых окружена вершинами, причём некоторые из долин могут находиться достаточно высоко над уровнем моря и даже выше некоторых горных вершин. Но до тех пор, пока Вселенная пребывает в нижней части какой-нибудь долины, она будет оставаться в ней. Для обозначения низшей точки долины используется математический термин: локальный минимум. Любое движение из точки локального минимума сопряжено с подъёмом вверх. Таким образом, мы приходим к важному фундаментальному факту: возможный стабильный вакуум, или, что то же самое возможные неизменные Законы Физики, соответствует локальному минимуму Ландшафта.

Ни один безумный учёный никогда не соберётся уничтожить поле Хиггса. Как я говорил, чтобы очистить от него один кубический сантиметр пространства, потребуется вся энергия, излучаемая Солнцем за миллион лет. Но примерно 14 миллиардов лет назад температура была настолько высока, что плотность энергии была более чем достаточна, чтобы вымести поле Хиггса из всей известной Вселенной. Я имею в виду очень раннюю стадию эволюции Вселенной сразу после Большого взрыва, когда температура и давление были чрезвычайно велики. Физики считают, что Вселенная родилась с полем Хиггса, равным нулю, то есть находилась на вершине горы. В ходе охлаждения Вселенная скатилась по склону в долину, где мы сейчас и живём. «Качение» по Ландшафту играет центральную роль во всех современных космологических теориях.

Хиггс-шафт имеет небольшое количество локальных минимумов, и вероятность того, что в одном из минимумов плотность вакуумной энергии будет составлять не более 10–120, крайне мала. Однако, как вы увидите в главе 10, реальный ландшафт теории струн гораздо сложнее, разнообразнее и интереснее. Попробуйте представить пространство с 500 измерениями, топография которого содержит порядка 10500 локальных минимумов, в каждом из которых действуют собственные физические законы, – ничего не выйдет. Независимо от того, насколько ваш мозг отличается от моего, число 10500 лежит далеко за пределами наших представлений. Но одно точно: в таком огромном наборе возможностей наверняка найдётся вариант, в котором плотность энергии вакуума составляет 10–119, и это будет ответом на вайнберговский антропный аргумент.

В следующей главе я собираюсь отдохнуть от технических вопросов и рассказать о надеждах и чаяниях физиков. Мы снова вернёмся к «строгой науке» в главе 5, но сдвиг парадигмы значит больше, чем факты и цифры. С этим сдвигом связаны эстетические и эмоциональные вопросы, а также возможный отказ от прежней парадигмы. Идея о том, что Законы Физики могут, как погода, зависеть от местных условий, ужасно разочаровывает многих физиков, почти с религиозным фанатизмом верящих, что природа должна быть «красивой» в определённом специфическом математическом смысле.

Глава 4. Миф об элегантности и однозначности

Бог использовал самую совершенную математику при создании Вселенной.

Поль Дирак

Если вам нужно описать правду, оставьте элегантность портному.

Альберт Эйнштейн

Красота хуже вина, она сводит с ума и того, кто ею обладает, и того, кто на неё смотрит.

Олдос Хаксли

Что физики понимают под красотой

Споры об антропном принципе – это больше, чем противостояние научных фактов и философских принципов. Можно ли применить понятие «хороший вкус» к науке? Как все споры о вкусе, он затрагивает эстетические чувства людей. Сопротивление объяснению природы с позиций антропного принципа берёт начало из особых эстетических критериев, которые оказывали влияние на всех великих физиков: Ньютона, Эйнштейна, Дирака, Фейнмана, и наше поколение не стало исключением. Чтобы понять силу их чувства, следует сначала понять ту эстетическую парадигму, которая сегодня ставится под сомнение носителями новых идей.

Потратив добрую часть жизни на занятия теоретической физикой, лично я убеждён, что это самая красивая и элегантная из всех наук. И я уверен, что все мои друзья-физики думают точно так же. Но большинство из нас не способно внятно сформулировать, что же мы подразумеваем под красотой физики. Задавая этот вопрос, я получал на него самые разнообразные ответы. Большинство указывало на элегантность математических уравнений, но некоторые отвечали, что сами по себе физические явления красивы.