Форму і зміст всесвіту обговорюють на ювілеї «Вокруг света» Нобелівський лауреат Девід Гросс, фахівець з теорії струн Брайан Грін і провідний науковий співробітник ФІАН Олексій Семіхатов
Олексій Семіхатов. Якщо поглянути на Всесвіт з боку, на що вона буде схожа?
Девід Гросс. Всесвіт - це все існуюче простір. Як же на нього можна подивитися з боку?
Семіхатов. Моцарт говорив, що сприймає музику, не йдучи за нею в часі, а схоплюючи цілком, як Бог сприймає історію - всю відразу, як би поглядом зі сторони.
Гросс. Всесвіт теж не рухається в часі, вона в ньому існує. У фізиці немає такого моменту, який можна назвати «зараз». Це просто наша ілюзія. І «тут» теж немає. Але це не дуже серйозна проблема. Справжня загадка, яка не дає мені спати по ночах, - це проблема початку і кінця всіх речей, питання про походження самої фізики. Тут ми поки не досягли успіху. Хоча певні ідеї обговорюються.
нудна топологія
Семіхатов. Спершу інакше: що говорить фізика про топології Всесвіту?
Гросс. Топологія - це питання про те, чим бублик з діркою відрізняється від сфери без дірок. Так ось, топологія Всесвіту нудна, оскільки вона, швидше за все, абсолютно тривіальна. Тому що Всесвіт - плоска (ця думка тривіальна для Гросса, але для більшості виглядає несподівано. Детальніше див. Підверстці про метрику і топологію. - Прим. Ред.). Це висновок теорії космологічної інфляції. Це підтверджується і спостереженнями, причому з дуже високою точністю.
Брайан Грін. В принципі, Всесвіт може бути і гіперсферу, але тільки дуже-дуже великий (щоб поблизу нас здаватися плоскою). Може вона бути і гіпертором, але знову-таки дуже великим.
Семіхатов. Значить, на небі може знайтися галактика, яку видно в двох діаметрально протилежних напрямках?
Грін. Це як раз залежить від розмірів. Якщо цей гіпертор досить великий, то ми нічого не побачимо.
Семіхатов. А хто-небудь пробував шукати?
Грін. Загалом, це відіграний сюжет.
Гросс. Вченими, звичайно, перевіряються всі ідеї, але більшість при цьому вибраковується. На сьогодні немає ознак, щоб у Всесвіті була якась нетривіальна топологія.
Семіхатов. Чи не занадто цікаве життя у топології.
Гросс. Але простір - це далеко не тільки топологія. Куди цікавіше метрика. Так що правильніше говорити не про топології Всесвіту, а про її геометрії. Саме вона пов'язує космологію і історію нашого світу, а також, можливо, і його внутрішню структуру, яка може визначати глобальні фізичні закони. Геометрія - це математична модель реальності.
Грін. Метрику фізичного простору описує загальна теорія відносності. А ось топологія не грає в ній великої ролі. Скажімо, одна і та ж метрика може реалізовуватися в різних топологічних просторах.
Гросс. У невеликій околиці будь-якої точки простір виглядає плоским. Це дуже важлива властивість природи, одне з тих, що робить її пізнаваною: речі хоча б локально, поруч з нами, в першому наближенні виглядають простими. Але ми також знаємо, що ця властивість може і порушуватися. Найцікавіші для мене експерименти в області фізики елементарних частинок ставилися останні 50 років в усі зменшується околиці точки. І в міру того, як ми проникаємо вглиб, речі стають все менш простими. Особливо сильно все ускладнює гравітаційна взаємодія. Однією тільки геометрії стає недостатньо.
Грін. Для опису реальності доводиться доповнювати геометрію ідеями квантової механіки. Тільки так можна побудувати всеосяжну опис. Семіхатов. Але хоча б при описі Всесвіту у великих масштабах ми можемо залишатися в рамках геометричного мови?
Гросс. Не факт. Наприклад, чорні діри можуть бути досить великими, але їх опис на чисто геометричному мовою, без квантових флуктуацій істотно неповне. Можливо, їх буде простіше зрозуміти, розглядаючи квантові явища як більш фундаментальні, ніж геометрія. Тут, як в гідродинаміки, яка відмінно описує воду в річці, але при цьому є лише наближеною моделлю, яка витікає з атомної фізики, яка описує річку як сукупність молекул.
Семіхатов. Тобто чорні діри порушують просту структуру Всесвіту? Вони можуть якось перекрутити наше тривіальне плоске простір?
Грін. Все це можливо. І головне біла пляма тут - наше нерозуміння природи сингулярностей. Саме вони - ключ до відповіді на ваші питання.
Семіхатов. У звичайних точках простір плоске, а в сингулярності - якесь?
Грін. З класичної точки зору саме так. Однак є й інші опису, в яких розкриваються особливості, відсутні в класичних рішеннях. Я б не став битися об заклад, що ми скоро зрозуміємо навіть найпростіші чорні діри, але ми рухаємося в цьому напрямку.
Найбільше наукове дослідження
Семіхатов. У скільки-вимірному світі ми живемо?
Грін. Ми не знаємо. Традиційна парадигма говорить про трьох просторових вимірах і чотиривимірному просторі-часі. Але теорія струн передбачає, що просторових вимірів повинно бути більше - 9 або 10.
Гросс. Або жодного. Витягнутий нами урок полягає в тому, що треба з великою підозрою ставитися до традиційної геометрії. Вона існує в платонівському розумінні, тобто залежить від того, як ми формулюємо фізику. Можна використовувати парадигму або методику розрахунків, в яких ніяких просторових розмірностей взагалі немає. А потім з них виходять результати, які зручно описувати, скажімо, на мові десятімерного простору. Або можна почати з чотиривимірної (3 + 1) теорії, але для передбачення явищ на мікрорівні використовувати десятімерное простір-час. Просторові розмірності нині легко трансмутіруют.
Семіхатов. Це якийсь екстремальний філософський релятивізм.
Грін. Одна і та ж фізична система має різну кількість вимірювань в залежності від способу її опису. Розмірність - не такий вже важливий питання.
Гросс. Не варто думати, що простір з вимірами - це фундаментальний спосіб опису фізики. Ми використовуємо геометрію лише як інструмент.
Семіхатов. І все ж, як фізики визначають, скільки вимірювань використовувати - 9 або 10?
Грін. Ми поки не знаємо. Одні підходи, такі як теорія струн, вимагають дев'ять просторових вимірів, інші.
Семіхатов. Але що це за вимірювання? Наскільки вони великі?
Гросс. Вони, звичайно, дуже малі. Їх не побачити оком: інакше ми могли б по ним переміщатися. Так що обмеження накладені нашим повсякденним досвідом. Саме тому дитина будує тривимірну модель світу. Семіхатов. Ми повертаємося до Канту. Він вважав, що уявлення про простір - невід'ємна властивість людського розуму.
Гросс. До чотирьох років дитина вже знає, що не існує додаткових вимірів розміром, скажімо, кілька метрів. Але є і більш жорсткі обмеження. Наприклад, гравітаційні експерименти говорять, що додаткові вимірювання не перевищують за розмірами часток міліметра. Але вони напевно ще набагато менше. Я вважаю, що класична геометрія - це далеко не ідеальний мову для розмови про фундаментальній фізиці. Для цих цілей потрібен набагато більш абстрактна мова, але ми його поки не знаємо. Уявімо, що наша розмова відбувається через 100 років. І ви питаєте: «Скільки вимірів у простору?» Думаю, моя відповідь звучала б приблизно так: «У деяких випадках хорошим наближенням служить квантова теорія поля, що розглядається в фоновому десятімерном просторі-часі. Але є і еквівалентну квантово-механічне опис зовсім без вимірювань ».
Семіхатов. Сучасні фізичні теорії дуже сильно математизовані. Чому ми так упевнені в тому, що Всесвіт обов'язково повинна описуватися математично? Адже прості спостереження не містять особливої математики.
Гросс. Немає такої речі як «просте спостереження». Думаєте, коли ви оглядаєте в кімнаті і бачите вільний простір - це просте спостереження? Ви уявляєте собі, як це відбувається, як мозок це визначає? Знаєте, яке неймовірне за складністю наукове дослідження все ми проводимо у віці до чотирьох років, вибудовуючи просту наглядову модель світу? В цьому немає нічого простого. Це найбільший інтелектуальний прорив в життя, далі йде тільки спад. І те, що ми потім додаємо всякі суперпространства і різні топології, я думаю, це все відносно тривіально.
Семіхатов. Тобто математика описує наш світ, тому що вона продукт нашого мозку? Добре, я беру назад слова «просте спостереження».
Та, яка елегантна
Семіхатов. Забудемо про форму Всесвіту, про число вимірювань. Копнемо глибше. Що взагалі таке Всесвіт? Що це за звір такий, що не має форми або має стільки форм, що може бути чим завгодно?
Гросс. Мені не подобається це питання, оскільки на нього не можна переконливо відповісти: ні експериментально, ні наглядово, ні математично. Ми скочуємося до метафізики. Для мене Всесвіт - це сукупність систем, для яких ми будуємо теоретичну модель. І це дуже хороша модель. Вона кількісно описує все, що відбувалося за останні 13,7 мільярда років.
Семіхатов. Всесвіт або Мультіверс? Чи є інші всесвіти?
Гросс. Майже напевно вони існують.
Грін. Не знаю. Я б не сказав, що не вірю в них.
Семіхатов. Брайан, ви не прагнете говорити про те, що таке наш Всесвіт. Ну добре, ось ваша книга називається «Елегантна Всесвіт». Ось та, яка «елегантна», вона що з себе представляє і скільки в ній вимірювань?
Грін. Говорячи про елегантність Всесвіту, я маю на увазі те, що ми обговорюємо: можливість опису явищ, які ми спостерігаємо і вимірюємо з використанням дуже потужного математичного апарату, що застосовується для побудови фізичної теорії. Для мене це рівняння - ті, що вивів Ейнштейн, і ті, які виводить Девід з колегами. Прості математичні рівняння описують велику частину того, що ми бачимо. Це я і називаю елегантністю.
Семіхатов. Тобто елегантність - це характеристика не самого Всесвіту, а її співвідношення з математикою, яка її описує. І які успіхи на цьому шляху.
Гросс. Жартуєте? Минуло всього 30 років після того, як ми сформулювали найповнішу теорію всієї матерії і всіх сил, що пояснює все, що ми спостерігаємо (мова про Стандартну модель Всесвіту. У неї є застереження: вона не працює в самих екстремальних умовах на кшталт Великого вибуху. Детальніше див . під верстку. - Прим. ред.). Причому виключно точно в кількісному плані. Ось люди запитують: чому лід плаває? Адже якби він тонув, океани б замерзли і не було б життя. Тепер ми можемо це розрахувати. У цій концепції потрібно задати всього одну константу (постійну тонкої структури. - Прим. Ред.), І тоді все інше - атомні ядра, електромагнетизм, хімія, біологія - буде виведено з цієї теорії. Немає жодного спостережуваного феномена, який принципово не описувався б цією теорією з високою точністю. Але обмеження все ж є. Вони стосуються того, що відбувається на дуже коротких відстанях і в момент народження Всесвіту.
сенс всесвіту
Семіхатов. І все ж Всесвіт така складна. Ви як і раніше називаєте її елегантною? Грін. Я б не погодився зі словом «складна». Вона багата різними явищами, але вони описуються лише кількома математичними рівняннями.
Гросс. Всю Стандартну модель можна надрукувати на футболці.
Грін. Ну для цього нам все ж доведеться використовувати скорочену нотацію.
Гросс. Власне, з чого б Всесвіті не бути елегантною? В іншому випадку це була б якась безглузда мішанина. Дуже важко сконструювати щось неелегантно. Ви починаєте з простого набору правил.
Семіхатов. Але ж Всесвіт міг бути сформована випадковим чином?
Грін. Я не думаю, що за всім існуючим варто генератор випадкових чисел. Все вказує на високий рівень порядку. Це і дозволяє стиснути дані в короткі математичні рівняння, які описують всі процеси за допомогою символів.
Семіхатов. І це прояв нашого розуму, яке змушує нас любити те, що ми робимо в науці взагалі і в фізиці зокрема.
Гросс. А як ще це могло б бути? Ми виникли з цієї Всесвіту. Наш мозок розвивався, прагнучи надати їй сенс. І це дуже приємний процес. Ми запрограмовані отримувати задоволення від розуміння речей. Ми надаємо їм сенс. І тому Всесвіт має сенс!
Грін. Мабуть, це годиться в якості заголовка: «Всесвіт має сенс!» Велике спасибі за бесіду.