Когда антропный принцип имеет смысл?

 

Предположим, что мы с вами являемся партнёрами в деле создания пригодных для жизни Вселенных. Ваша задача – придумать все необходимые ингредиенты и представить эскизный проект. Моя – найти на Ландшафте место, удовлетворяющее техническому заданию. Итак, вы придумываете конструкцию, а я отправляюсь исследовать Ландшафт. Если бы Ландшафт содержал лишь несколько долин, я бы почти наверняка не нашёл среди них подходящей. И на ближайшем совещании по проекту я бы доложил, что ваш проект никуда не годится, потому что найти долину, удовлетворяющую его требованиям, невозможно.

Но будучи немного знакомым с теорией струн, вы могли бы поставить моё суждение под сомнение, спросив: «Уверены ли вы, что обшарили каждый уголок в каждой долине? Вы исследовали все 10500 долин? Среди такого количества возможностей обязательно должно обнаружиться то, что мы ищем. Не тратьте время, перебирая наиболее часто встречающиеся, похожие друг на друга варианты, ищите что-нибудь уникальное».

Это подводит нас к новому критерию приемлемости антропного объяснения. Количество математически согласованных возможностей должно быть настолько велико, чтобы даже очень маловероятные варианты могли найтись по крайней мере в нескольких долинах.

Этот критерий имеет смысл применять только в контексте точной теории Ландшафта. Чтобы далеко не ходить за примером, вернёмся к нашим рыбам. Осетрологи, апеллируя к ньютоновскому закону всемирного тяготения, могли бы заявить, что его уравнения допускают существование круговых орбит планет на любом расстоянии от звезды. Планеты, находящиеся на очень далёких орбитах, слишком холодны, вода и даже метан там превращаются в лёд. Планеты, орбиты которых расположены слишком близко к звезде, слишком горячи, и вода там мгновенно закипает. Но где-то между этими крайними случаями должна существовать орбита, где температура на планете идеально подходит для существования жидкой воды. Теория даёт так много решений, что среди них обязательно найдётся то, которое нас удовлетворит.

Строго говоря, планета может вращаться вокруг звезды не на любом расстоянии. Солнечные системы во многом похожи на атомы: солнце и планеты напоминают атомное ядро и электроны. Как первым понял Нильс Бор, электроны могут находиться только на определённых орбитах, разрешённых законами квантовой механики. То же относится и к планетам. Но к счастью, количество возможных орбит настолько велико и они настолько плотно расположены, что для практических целей можно считать их распределение по расстоянию от звезды непрерывным.

Осетрологам недостаточно знать, что их требования к существованию жизни математически согласованы. Они должны быть уверены, что Вселенная достаточно велика и разнообразна, чтобы в действительности содержать почти всё, что теоретически может существовать. Наблюдаемая часть Вселенной содержит 1011 галактик, в каждой из которых существует не менее 1011 планет. Итого мы имеем 1022 возможностей удовлетворить специальным требованиям для существования жидкой воды. При таком обилии планет наверняка найдутся обитаемые.

Приведу ещё несколько соображений.

Для антропного объяснения факта X  мы должны иметь серьёзные основания полагать, что если бы X  был иным, то существование жизни нашего типа было бы невозможным. Именно это показал Вайнберг в отношении значения космологической постоянной.

Даже если X  представляется совершенно невероятным, достаточно богатый ландшафт с огромным количеством долин может содержать долину, в которой X  – обычное явление. Вот где проявляются удивительные следствия теории струн. Ландшафт уже вовсю изучается в университетах США и Европы, и большинство научных результатов указывают на существование невообразимого разнообразия долин, число которых, скорее всего, превышает 10500.

И последнее по счёту, но, конечно же, не по важности: космология, построенная на основе теории струн, должна естественным образом привести нас к Супермегаверсуму, настолько огромному, что любой возможный регион Ландшафта будет представлен в нём по крайней мере одной карманной вселенной. Теория струн в сочетании с идеей инфляции выглядит подходящим решением для нашего проекта. Но об этом – в следующих главах.

Антропный принцип – это бельмо на глазу теоретической физики. Многие физики очень экспрессивно реагируют на его упоминание. Причину такой реакции понять нетрудно. Антропный принцип угрожает господствующей парадигме, утверждающей, что все наши знания о природе могут быть полностью выражены языком математики. Обоснованны ли их аргументы? Более того, имеют ли они смысл?

Давайте посмотрим на некоторые из их возражений с точки зрения умных рыб. Утверждение, что антропный принцип – это не наука, а религия, – очевидный выстрел мимо цели. По мнению Андрея и Александра, нет никакой необходимости в божественном вмешательстве для тонкой настройки мира в интересах своих творений. Во всяком случае, большинство мест в нашем мире являются весьма негостеприимными и гораздо более смертоносными, чем когда-либо могли вообразить себе фишики. В действительности ихтиотропный принцип, в той форме, в которой его предложили Андрей и Александр, полностью исключает любую мистику из «фишического» описания мира.

Более актуальным является возражение, что, апеллируя к антропному принципу, физика теряет свою предсказательную силу. В какой-то степени это верно, если мы претендуем на предсказание температуры нашей планеты, количества солнечного света, которое она получает, точной продолжительности года, высоты приливов, солёности океана и т. п. Но отвергать ихтиотропное объяснение некоторых свойств окружающей среды на том только основании, что при этом теряется предсказательная сила, нерационально. Требование абсолютной предсказательной силы имеет под собой эмоциональную основу, не имеющую ничего общего с объективными фактами планетарной науки.

Сетования о том, что умная рыба отказывается от традиционных путей поиска научного объяснения, выражают психологический дискомфорт, но очевидно не имеют под собой научных оснований. В какой-то момент требования фишиков превращаются в религиозный догмат.

Из всех критических замечаний, которые я слышал в отношении антропного принципа, я могу отнести к серьёзным научным аргументам только одно. Оно принадлежит двум моим близким друзьям, Тому Бэнксу и Майку Дину, не разделяющим мои идеи.[66]

Вот что они говорят.

Предположим, что в природе существует некая тонкая настройка, не имеющая антропного значения. Например, Солнце и Луна имеют на небосводе один и тот же видимый размер. Во время солнечных затмений лунный диск почти точно закрывает солнечный. Это очень удачное совпадение для солнечной астрономии: оно позволяет астрономам производить наблюдения, которые в противном случае потребовали бы серьёзных ухищрений. Например, они могут изучать во время затмения солнечную корону. Они также могут точно измерить угол, на который гравитационное поле Солнца отклоняет свет, проходящий вблизи солнечной поверхности. Но эта необыкновенно точная настройка не имеет никакого значения для возможности жизни на Земле. Более того, вполне вероятно, что у большинства обитаемых планет нет спутников, видимый диаметр которых на небе так точно соответствует видимому диаметру звезды. Вероятность найти среди обитаемых миров планету с таким удачным расположением спутника и звезды крайне мала. Так что если мы не верим в неожиданные совпадения, объяснение нашего мира должно представлять собой нечто иное, нежели случайный выбор, подчиняющийся только антропным ограничениям.

 

 

Совпадение видимых размеров Солнца и Луны не представляет собой серьёзной проблемы. Точность этого совпадения не является феноменальной. Разница в средних видимых размерах составляет около одного процента. Один процент совпадений бывает в одном случае из ста. Вероятность такого события больше, чем вероятность попасть в автомобильную аварию. Но что, если бы видимые размеры Солнца и Луны совпадали с точностью до одной триллион триллион триллионной? Такое совпадение выглядело бы настолько маловероятным, что потребовало бы объяснения. И для этого объяснения пришлось бы привлечь что-то ещё в дополнение к антропному принципу. Это ставит под сомнение идею, что необъяснимые уникальные особенности Вселенной имеют что-либо общее с возможностью возникновения в ней жизни.

Существует по крайней мере одна очень необычная особенность Законов Физики, которая выглядит как очень тонкая настройка и при этом не требует антропного объяснения. Она имеет отношение к протону, но сначала рассмотрим свойства его почти близнеца – нейтрона. Нейтрон является примером нестабильной частицы. Не связанные внутри ядра нейтроны живут около 12 минут, прежде чем распасться. Разумеется, нейтрон имеет массу, или, что эквивалентно, энергию, которая не может исчезнуть просто так. Энергия – это величина, которую физики считают сохраняющейся. Это означает, что общее количество энергии никогда не может измениться. Примером ещё одной строго сохраняющейся величины является электрический заряд. Когда нейтрон распадается, его должно заменить что-то с той же суммарной энергией и электрическим зарядом. В природе нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Начальные и конечные энергия и электрический заряд в этой реакции одни и те же.

Почему нейтрон распадается? А если бы этого не происходило, то логичным был бы вопрос, почему он не распадается? Как однажды заметил Мюррей Гелл-Манн, цитируя Теренса Уайта: «Все, что не запрещено, то обязательно». Этой фразой Гелл-Манн хотел выразить одну особенность квантовой механики, являющуюся следствием квантовых флуктуаций: всё, что не запрещено законами природы, рано или поздно происходит.

А что относительно протонов? Может быть, они тоже распадаются, и если да, то на что они распадаются? Самым простым вариантом может быть распад протона на фотон и позитрон. Фотон не имеет заряда, протон и позитрон имеют одинаковые заряды. Поэтому нет причин, которые могли бы помешать протонам распадаться на фотоны и позитроны. Не существует никакого физического принципа, который бы запрещал это. Большинство физиков считают, что если предоставить протону достаточно времени, он в конце концов распадётся.

Но если протон может распадаться, это означает, что могут распадаться и все атомные ядра. Мы знаем ядро атома водорода как самое стабильное из всех известных нам атомных ядер. Время жизни протона должно во много раз превышать возраст Вселенной.

Должна быть причина, по которой протон живёт так долго. Может быть, эта причина имеет антропный характер? Конечно, наше существование налагает определённые ограничения на время жизни протона. Оно, очевидно, не может быть слишком малым. Предположим, что протон жил бы один миллион лет. Тогда мне не пришлось бы беспокоиться о том, что за время моей жизни распадётся слишком много протонов, но поскольку возраст Вселенной составляет более 10 миллиардов лет, то если бы протон жил только один миллион лет, все протоны распались бы задолго до моего рождения. Таким образом, антропное ограничение на время жизни протона намного превышает продолжительность человеческой жизни. Протон должен жить по крайней мере 14 миллиардов лет.

На самом деле, с позиции антропного принципа, время жизни протона должно намного превышать возраст Вселенной. Предположим, что время жизни протона составляет 20 миллиардов лет. Распад нестабильных частиц – непредсказуемое событие, которое может произойти в любое время. Говоря, что время жизни протона составляет 20 миллиардов лет, мы имеем в виду среднюю статистическую продолжительность жизни, но при этом какие-то протоны распадутся в течение одного года, а какие-то доживут до триллиона.

Наше тело состоит из приблизительно 1028 протонов. При средней продолжительности жизни протона в 20 миллиардов лет примерно 1018 протонов человеческого тела распадутся в течение одного года.[67] Это очень незначительная часть ваших протонов, поэтому нет нужды беспокоиться, что вы распадётесь вслед за ними, но каждый протон, распадаясь, рождает высокоэнергетические частицы: фотоны, позитроны и пионы. Эти частицы, пролетая через человеческое тело, оказывают такое же воздействие, как радиация, – убивают живые клетки. Если в течение года в человеческом теле распадутся 1018 протонов, это, безусловно, убьёт человека. Таким образом, антропное ограничение на время жизни протона оказывается гораздо более сильным, чем кажется на первый взгляд. Насколько мы можем судить, время жизни протона должно не менее чем в миллион раз превышать время жизни Вселенной, то есть составлять не менее 1016 лет, – только так можно избежать угрозы для существования жизни. На антропных основаниях следует исключить из списка пригодных для жизни долин Ландшафта все, где время жизни протона составляет меньше 1016 лет.

Но нам известно, что протон живёт значительно дольше 1016 лет. В цистерне с водой содержится примерно 1033 протонов, и если мы ожидаем увидеть один распад протона в течение года, время жизни протона должно составлять 1033 лет. В надежде зафиксировать распад протона физики построили огромные подземные цистерны с водой, оборудованные фотоэлектрическими датчиками. Сложные современные детекторы способны обнаружить вспышку света от единственной распавшейся частицы. Но пока всё тщетно. За всё время этих экспериментов не зафиксировано ни одного распада протона. Это свидетельствует о том, что время жизни протона существенно превышает 1033 лет, но причина такой долговечности протона неизвестна.

Проблему усугубляет тот факт, что мы не знаем ни одной причины, по которой ландшафт теории струн не мог бы содержать долин, в которых Законы Физики пригодны для жизни, но где протоны живут только 1016–1017 лет. Потенциально количество таких долин может значительно превышать количество долин, более благоприятных для жизни.

Всё это вызывает серьёзную озабоченность, но, скорее всего, не остановит работу над теорией. К сожалению, мы не обладаем достаточной информацией о Ландшафте, чтобы оценить, какой процент его обитаемых долин содержит столь долгоживущие протоны. Но основания для оптимизма есть. Стандартная модель без дополнительных модификаций не допускает распада протона. Этот запрет не имеет ничего общего с антропным принципом. Это просто математическое свойства стандартной модели, запрещающее распад протона. Если типичная обитаемая долина требует чего-то, похожего на Стандартную модель, стабильность протона может прилагаться к ней в качестве бонуса.

Но нам известно, что Стандартная модель неполна. Она не включает гравитацию. Несмотря на то что Стандартная модель очень хорошо описывает поведение элементарных частиц, она должна быть заменена другой, более полной. Есть много претендентов на замену Стандартной модели. Например, теория под названием Теория великого объединения, которая, несмотря на претенциозное название, видится весьма перспективной. Простейшее обобщение Стандартной модели на Теорию великого объединения даёт оценку времени жизни протона порядка 1033–1034 лет.

Существуют и другие расширения Стандартной модели, которые не так хорошо разработаны. Одно из них, основанное на суперсимметрии, приводит к значительно меньшему времени жизни протона и требует корректировки. Необходимо получить гораздо больше информации, прежде чем мы сможем делать далеко идущие выводы. К счастью, эксперименты в области физики элементарных частиц в ближайшем будущем, я надеюсь, смогут пролить свет как на справедливость Стандартной модели, так и на причины необычной стабильности протона. Оставайтесь с нами – продолжение через несколько лет.

 

Философские возражения

 

В аннотации к статье «Научные альтернативы антропного принципа» физик Ли Смолин[68] пишет:

«В работе подробно объясняется, почему антропный принцип не может дать каких-либо фальсифицируемых предсказаний и поэтому не может быть частью науки».

Во введении к статье он продолжает: «… я намеренно выбрал такое провокационное название, чтобы выразить то чувство разочарования, которое я испытывал на протяжении многих лет, наблюдая, как здравомыслящие люди, многие из которых являются уважаемыми и вызывающими восхищение учёными, поддерживают подход к космологической проблеме, ненаучность которого видна невооружённым глазом. Я имею в виду, конечно, антропный принцип. Называя его ненаучным, я имею в виду вполне конкретную вещь, которая является неотъемлемым атрибутом любой гипотезы или теории, претендующей на право считаться научной. Эта вещь называется фальсифицируемостью. Согласно [философу] Попперу, теория является фальсифицируемой, если на её основе можно получить однозначные предсказания для постановки экспериментов, возможные отрицательные результаты которых в принципе могли бы рассматриваться в качестве опровержения по крайней мере одного положения этой теории».

Ричард Фейнман однажды заметил: «Философы много говорят о том, что абсолютно необходимо для науки, и это всегда, насколько можно видеть, довольно наивно и, вероятно, неверно». Фейнман имел в виду среди прочих и Поппера. Большинство физиков типа Фейнмана обычно не жалуют философию своим вниманием, если только они не пытаются использовать её для доказательства ненаучности чужой теории.

Честно говоря, я бы предпочёл избежать философского дискурса, порождаемого антропным принципом. Но проповеди всяких попперацци в сводках новостей и в интернет-блогах о том, что научно, а что ненеучно, стали настолько агрессивными, что я счёл необходимым ответить на это. Моё мнение о ценности строгих философских правил в науке совпадает с мнением Фейнмана. Позвольте мне процитировать фрагмент одной дискуссии с сайта edge.org. Это короткие сообщения, написанные в ответ на работу Смолина. Аргументы Смолина я также привожу, поскольку они продуманны и интересны.

В течение всей моей многолетней карьеры учёного я слышал обвинения в нефальсифицируемости в отношении такого количества важных и интересных идей, что начал склоняться к уверенности, что нет для теории большей заслуги, чем подвергнуться подобной критике. Я приведу несколько примеров:

«Из психологии. Вы, наверное, думаете, что все соглашаются с утверждением, что у каждого человека есть скрытая эмоциональная жизнь. Б. Ф. Скиннер с этим не согласен. Он был гуру научного направления, называемого бихевиоризмом, отрицающим всё, что не может быть непосредственно наблюдаемо, как ненаучное. Единственным предметом психологии, согласно бихевиористам, является внешнее поведение. Заявления об эмоциональном внутреннем мире пациента были исключены как нефальсифицируемые и ненаучные. Большинство из нас сегодня могли бы заявить, что это глупый экстремизм. Современная психология глубоко интересуется эмоциями и их развитием».

«Из физики. В первые дни кварковой теории многие её противники обвиняли теорию в нефальсифицируемости. Кварки постоянно связаны друг с другом в протоны, нейтроны и мезоны. Они не могут быть разделены и зарегистрированы индивидуально. Они, если можно так сказать, постоянно скрыты за вуалями различного рода. Большинство физиков, критиковавших идею кварков, имели свои собственные представления об элементарных частицах, в которые кварки просто не вписывались. Но сегодня уже никто не сомневается в теории кварков, несмотря на то что до сих пор никому так и не удалось зарегистрировать свободный кварк. Сегодня кварковая модель – это часть фундамента современной физики».

«Ещё одним примером является инфляционная теория Алана Гута. В 1980 году казалось невозможным заглянуть в эпоху инфляционного расширения и увидеть прямые доказательства этого явления. Непроницаемая завеса под названием “поверхность последнего рассеяния” предотвращала любые попытки увидеть инфляционный процесс. Многих из нас сильно беспокоило отсутствие хорошего способа проверки инфляционной теории. Некоторые, обычно авторы конкурирующих гипотез, утверждали, что инфляционная теория нефальсифицируема и поэтому ненаучна».

«Я могу представить себе гвардейцев Ламарка, критикующих Дарвина: “Ваша теория нефальсифицируема, Чарльз. Вы не можете отправиться назад во времени, на миллионы лет, в течение которых действует естественный отбор. У вас всегда будут только косвенные доказательства и нефальсифицируемые гипотезы. Напротив, наша ламаркистская теория является научной, потому что она фальсифицируема. Всё, что мы должны сделать, – это выделить популяцию, особи которой будут проводить каждый день по несколько часов в тренажёрном зале, поднимая тяжести, и через несколько поколений их дети станут рождаться с уже накачанными мускулами”. Ламаркисты были правы: их теория легко фальсифицируема – слишком легко. Но это не делает её лучше, чем теория Дарвина».

«Есть люди, утверждающие, что мир был создан 6000 лет назад сразу со всеми геологическими образованиями, распространённостью изотопов и костями динозавров. Почти все учёные тычут пальцем в труды Поппера и заявляют: “Не фальсифицируемо!” И я готов с ними согласиться. Но ведь и противоположная точка зрения, утверждающая, что Вселенная не была создана таким образом, – она тоже нефальсифицируема. Кстати, именно это и говорят креационисты. Строгий критерий фальсифицируемости делает научный и креационистский подход одинаково ненаучными».

Абсурдность этой позиции, я надеюсь, понятна читателю.

«Хорошая научная методология не является абстрактным набором правил, продиктованным философами. Она обусловлена и определяется самой наукой и учёными, которые эту науку создают. То, что могло представлять научное доказательство для физика 1960-х годов, а именно обнаружение изолированной частицы, не подходит для современного специалиста по квантовой хромодинамике, который не может надеяться на обнаружение свободного кварка. Давайте не будем ставить телегу впереди лошади. Наука – это лошадь, которая тянет телегу философии».

«В каждом конкретном случае, который я описал – кварки, инфляция, дарвиновская эволюция, – обвинители делали ошибку, недооценивая человеческую изобретательность. Всего через несколько лет после создания теория кварков была косвенно подтверждена с высочайшей точностью. Понадобилось 20 лет, чтобы появились наблюдения, подтверждающие теорию инфляции. И 100 лет пришлось ждать экспериментального подтверждения идей Дарвина (кое-кто считает, что решающая проверка дарвинизма ещё впереди). Мощные методы исследования, ставшие доступными биологам спустя столетие, были просто немыслимы во времена Дарвина. Станет ли когда-нибудь возможной проверка теории вечной инфляции и Ландшафта? Я, разумеется, думаю, что да, хотя, как и в случае с кварками, это окажутся только косвенные подтверждения, опирающиеся на чисто теоретические выкладки в большей степени, чем нам бы того хотелось».

После того как был написан этот материал, я вспомнил о ещё нескольких примерах чрезмерного попперизма. Наиболее ярким примером является теория S-матрицы,[69] господствовавшая в 1960-х годах, утверждающая, что поскольку элементарные частицы слишком малы, то любая теория, которая пытается описать их внутреннюю структуру, является нефальсифицируемой и потому ненаучной. Опять же никто сегодня уже не воспринимает это всерьёз.

Показательный пример из конца XIX века связан с одним из знаменитых учёных – Эрнстом Махом. Мах был физиком и философом. Его работы вдохновляли Витгенштейна и логических позитивистов. В то время, когда он активно занимался научной деятельностью, гипотеза молекулярного строения вещества всё ещё оставалась недоказанной гипотезой, и так продолжалось вплоть до 1905 года, в котором Эйнштейн опубликовал свою знаменитую работу о броуновском движении.

Несмотря на то что Больцман уже показал, что свойства газов могут быть объяснены атомистической теорией, Мах настаивал на том, что до сих пор никому не удалось доказать реальность атомов. Он допускал, что атомистическая теория могла служить полезной математической моделью, но упорно утверждал, что невозможность фальсификации подрывает её статус настоящей научной теории.

Фальсификация – это, на мой взгляд, отвлекающий манёвр, но подтверждение – уже совсем другая история (возможно, это то, что на самом деле имел в виду Смолин). Под подтверждением я имею в виду прямые положительные доказательства гипотезы, а не отсутствие опровергающих её данных. Теория вечной инфляции, описанная в главе 11, и существование множества карманных вселенных не могут быть подтверждены таким же способом, каким умные рыбы могли бы подтвердить свою версию ихтиотропного принципа. Не нарушая законы природы, осетрологи способны построить заполненные водой сверхпрочные корабли, подняться в них на поверхность океана и наблюдать другие планета, звёзды и галактики. Возможно, им даже удалось бы посетить эти небесные тела и подтвердить существование огромного разнообразия различных условий. К сожалению, есть непреодолимые препятствия (см. главу 12) для осуществления подобной программы исследований в отношении карманных вселенных. Принципиальным моментом является существование космических горизонтов, отделяющих нас от других карманов. В главах 11 и 12 мы обсудим горизонты и вопрос, являются ли они действительно непреодолимым барьером для получения информации. Но критики, безусловно, правы в том, что в обозримом будущем мы застряли в нашем собственном кармане без какой бы то ни было возможности непосредственного наблюдения других вселенных. Как в случае с кварками, подтверждение не будет прямым и будет опираться преимущественно на теоретические доказательства.

Что касается строгих философских правил, было бы верхом глупости отказываться от какой-либо идеи только потому, что она нарушает чьи-то философские изречения о фальсифицируемости. Как правильно отвечать критикам, когда происходит нечто подобное? Я думаю, единственное, что нужно сказать, – что мы делаем всё возможное, чтобы найти объяснения закономерностям, которые наблюдаем в окружающем мире. Время отделит хорошие теории от плохих, и они станут частью науки. Плохие теории займут своё законное место на свалке истории. Как подчеркнул Вайнберг, у нас нет никаких объяснений малости космологической постоянной, кроме антропной аргументации. Станет ли антропный принцип частью науки или будет списан в утиль? Ни строгие философские правила, ни учёные не смогут помочь ответить на этот вопрос. Подобно тому, как генералы всегда готовятся к прошедшей войне, философы всегда разбираются только в прошлых научных революциях.

В завершение этой главы я хотел бы обсудить одно из наиболее популярных возражений против антропного принципа. Его суть в том, что антропный принцип не является неверным, он является просто глупой тавтологией. «Конечно же, мир должен быть таким, чтобы в нём была возможна жизнь. Жизнь – это наблюдаемый факт. И, разумеется, там, где нет никакой жизни, некому наблюдать Вселенную и задавать эти дурацкие вопросы. И что из этого следует? То, что антропный принцип не сообщает нам ничего нового, кроме факта нашего собственного существования».

Введём новый принцип – я назову его головотропным. Головотропный принцип предназначен для ответа на вопрос: «Как так получилось, что мы оказались обладателями такого большого и мощного мозга?» Вот как звучит ответ:

«Законы биологии требуют наличия существа с чрезвычайно развитым мозгом объёмом не менее 1400 кубических сантиметров, потому что без наличия такого мозга некому будет даже поинтересоваться, каковы законы биологии».

Это звучит чрезвычайно глупо, хотя и является правдой. Однако головотропный принцип в реальности представляет собой стенографическую запись более длинной и более интересной истории. Даже двух возможных историй. Первая история – про креационистов.

Бог сотворил человека для того, чтобы человек восхвалял и поклонялся Богу. Забудем эту историю. Задача науки состоит в том, чтобы опровергать подобные истории.

Другая история гораздо более сложная и, я надеюсь, интересная. Она имеет несколько особенностей. Прежде всего, она рассказывает о том, что Законы Физики и химии разрешают существование компьютероподобных нейронных сетей, способных проявлять интеллект. Другими словами, ландшафт биологических конструкций содержит небольшое количество очень специфических конструкций, которые мы называем разумными. Это не тривиально.

Но история требует продолжения – механизма превращения этого эскизного проекта в опытную работающую модель. Тут-то на сцену и выходит Дарвин. Случайные ошибки копирования совместно с естественным отбором приводят к появлению дерева или куста, ветви которого заполняют все доступные ниши, в том числе и нишу существ, выживаемость которых определяется их умственными способностями. Как только кто-то понял этот механизм, вопрос «Почему я просыпаюсь по утрам с таким большим мозгом?» получает точный головотропный ответ: «Потому что только большой мозг задаёт вопросы».

Антропный принцип может звучать так же глупо. «Законы Физики должны допускать существование жизни, потому что если бы они не допускали существования жизни, то не существовало бы никого, кто мог бы задать вопрос, почему Законы Физики допускают существование жизни». Критики правы – это звучит глупо, это простая констатация очевидного факта (мы существуем, поэтому законы природы должны допускают наше существование) без описания какого-либо механизма, влияния выбора Законов Физики на наше существование. Но если воспринимать антропный принцип как стенографическую запись истории существования фантастически богатого ландшафта и описание механизма его заселения (см. главу 11) карманными вселенными, то он уже не выглядит тривиальным. В нескольких последующих главах я представлю вам доказательства того, что наша лучшая математическая теория предоставляет нам именно такой ландшафт.

 

 

Глава 7. Мир на резинках

 

Огромное количество счастливых совпадений, описанное в предыдущих главах, включая невероятно тонкую настройку космологической постоянной, даёт нам веские основания прислушаться к антропным аргументам, по крайней мере не отвергать их с порога. Но одни упомянутые совпадения не убедили бы меня занять решительную позицию по этому вопросу. Успех инфляционной теории (инфляция подразумевает гигантскую Вселенную) и открытие небольшой плотности энергии вакуума сделали антропный принцип привлекательным, но лично для меня «соломинкой, сломавшей спину верблюда» было осознание того, что теория струн двигалась в, казалось бы, порочном направлении. Вместо приближения к единой уникальной системе физических законов она породила постоянно растущую свалку машин Руба Голдберга. Я чувствовал, что цель достижения единого уникального струнного мира постоянно отступает подобно миражу и что теоретики, ищущие такой уникальный мир, обречены на неудачу.

Но я ощущал экстраординарную возможность извлечь пользу из приближающейся катастрофы: теория струн могла бы дать нам своего рода технический каркас, в котором антропный принцип обрёл бы смысл. Единственная проблема состояла в том, что хотя теория струн и предоставляла массу возможностей, она не была достаточной  теорией. Я спрашивал своих друзей: «Уверены ли вы, что число многообразий Калаби – Яу составляет лишь несколько миллионов?» Если отойти от математического жаргона, то суть моего вопроса сводилась к следующему: «Уверены ли вы, что количество различных вариантов вакуума в теории струн (или, что то же самое, количество различных долин Ландшафта) исчисляется несколькими миллионами?» Несколько миллионов возможностей, когда вы пытаетесь объяснить сокращение 120 десятичных знаков, – это меньше, чем капля в море.

Но все изменилось в 2000 году, когда молодой «пост-док» Рафаэль Буссо из Стэнфордского университета вместе со своим старым другом Джо Полчински из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре опубликовали статью, в которой объясняли, как количество возможных вакуумов может стать настолько большим, что легко покроет все варианты подгонки 120-значного числа. Вскоре мои стэнфордские коллеги Шамит Качру, Рената Каллош, Андрей Линде и индийский физик Сандип Триведи подтвердили этот вывод. Это-то мне и было нужно. Я пришёл к выводу, что исключительно рациональное объяснение тонкой настройки природы при помощи теории струн и некоторых антропных аргументов вполне возможно. Я написал статью под названием «Антропный ландшафт теории струн», чем разворошил осиное гнездо, которое гудит до сих пор. Итак, я начинаю первую из трёх глав (7, 8 и 10), посвящённых рассказу о теории струн.

 

Адроны

 

«Три кварка для мистера Марка», – писал Джеймс Джойс. «Три кварка для протона, три кварка для нейтрона и кварк с антикварком для мезона», – заявил Марри Гелл-Ман. Марри, носившийся со словами как с фетишами, обогатил словарь физики высоких энергий такими терминами, как «кварк», «странность», «квантовая хромодинамика», «алгебра токов», «восьмеричный путь» и другие. Я не уверен, принадлежит ли ему также и термин «адрон».[70] Первоначально адроны определялись как нечто, сочетающее в себе некоторые свойства нуклонов (протонов и нейтронов). Сегодня же мы имеем точное определение адрона как частицы, состоящей из кварков и глюонов. Другими словами, это частицы, которые являются предметом описания квантовой хромодинамики (см. главу 1).

Что же означает слово адрон? Слово ἁδρός  в переводе с греческого означает «мускулистый» или «крепкий». При этом слово «крепкий» относится не к самой частице – разбить протон гораздо проще, чем, например, электрон, – а к силам, действующим между адронами. Одним из наиболее ранних достижений физики элементарных частиц было обнаружение четырёх типов взаимодействий между ними. Основным различием этих взаимодействий является сила, с которой частицы действуют друг на друга. Самым слабым типом взаимодействий между частицами является гравитационное. Следующим по силе идёт так называемое слабое взаимодействие, затем – давно знакомое нам электромагнитное  и, наконец, сильное взаимодействие, называемое иногда ядерным.

Вам может показаться странным, что наиболее известное из всех взаимодействий – гравитация – является самым слабым. Но задумайтесь на мгновение. Гравитации требуется задействовать всю массу Земли, чтобы держать нас на её поверхности. Сила, с которой взаимодействует с Землёй средний человек, стоя на её поверхности, составляет всего 70 килограммов. Разделите эту силу на количество атомов в теле человека, и станет очевидным, что сила, приходящаяся на один атом, ничтожна.

Но если электрические силы настолько сильнее гравитационных, почему же они не выкидывают нас прочь с поверхности Земли или, наоборот, не размазывают по ней? Гравитационные силы, действующие между любыми двумя объектами, всегда являются силами притяжения (если не учитывать отталкивающую составляющую, за которую ответственна космологическая постоянная). Каждый электрон и каждое атомное ядро нашего тела притягивают каждый электрон и каждое атомное ядро Земли. Это приводит к появлению ощутимой суммарной силы притяжения, несмотря на то что силы, действующие между отдельными частицами, крайне малы. В противоположность гравитации электрические силы зависят от знака зарядов и могут быть как силами притяжения, так и отталкивания. Разноимённые заряды, например электрон и протон, притягиваются, а одноимённые, скажем два электрона или два протона, – отталкиваются. Но и наше тело, и вся Земля состоят из положительных и отрицательных зарядов, число которых практически одинаково, в результате чего электрические силы притяжения полностью компенсируют силы отталкивания. Но предположим, что мы временно удалили все электроны из наших тел и из всех атомов Земли. Оставшиеся положительные заряды будут отталкиваться с сил<