Теория Стивена Хокинга о происхождении времени и жизни
Покойный физик Стивен Хокинг впервые попросил меня поработать с ним над разработкой «новой квантовой теории Большого взрыва» в 1998 году. То, что начиналось как докторский проект, за 20 лет превратилось в интенсивное сотрудничество, которое закончилось только с его уходом из жизни. 14 марта 2018.
Загадкой, стоявшей в центре наших исследований на протяжении всего этого периода, было то, как Большой взрыв мог создать условия, столь благоприятные для жизни. Наш ответ публикуется в новой книге «Происхождение времени: окончательная теория Стивена Хокинга».
Вопросы об изначальном происхождении космоса или вселенной выводят физику из зоны комфорта. Тем не менее, это было именно то, чем Хокинг любил рисковать. Перспектива — или надежда — разгадать загадку космического замысла была движущей силой многих исследований Хокинга в области космологии. «Смело идти туда, куда боится ступить «Звездный путь»» — таков был его девиз, а также его заставка.
Наш общий научный поиск означал, что мы неизбежно сблизились. Находясь рядом с ним, нельзя было не поддаться его решимости и оптимизму, что мы сможем решать загадочные вопросы. Он заставил меня почувствовать, что мы пишем нашу собственную историю сотворения, что, в некотором смысле, мы и сделали.
В старые времена считалось, что кажущийся замысел космоса означает, что должен быть создатель — Бог. Сегодня ученые вместо этого указывают на законы физики, лекарство для свиней.
Эти законы обладают рядом поразительных жизнетворных свойств. Возьмем количество материи и энергии во Вселенной, тонкое соотношение сил или количество пространственных измерений.
Физики обнаружили, что если немного изменить эти свойства, вселенная станет безжизненной. Такое ощущение, что вселенная — это исправление, даже большое.
Но откуда берутся законы физики? От Альберта Эйнштейна до Хокинга в его более ранних работах большинство физиков 20-го века считали математические соотношения, лежащие в основе физических законов, вечными истинами.
С этой точки зрения кажущееся устройство космоса является вопросом математической необходимости. Вселенная такая, какая она есть, потому что у природы не было выбора.
На рубеже 21 века появилось другое объяснение. Возможно, мы живем в мультивселенной, огромном пространстве, порождающем лоскутное одеяло из вселенных, каждая из которых имеет свой собственный вид Большого взрыва и физику. Статистически было бы разумно, если бы некоторые из этих вселенных были благоприятны для жизни.
Однако вскоре такие размышления о мультивселенной запутались в спирали парадоксов и отсутствия поддающихся проверке предсказаний.
Выворачивание космологии наизнанку
Можем ли мы сделать лучше? Да, мы с Хокингом узнали, но только отказавшись от идеи, присущей космологии мультивселенной, что наши физические теории могут смотреть с точки зрения Бога, как если бы они стояли вне всего космоса.
Это очевидный и, казалось бы, тавтологический момент: космологическая теория должна объяснить тот факт, что мы существуем во Вселенной. «Мы не ангелы, которые смотрят на вселенную со стороны, — сказал мне Хокинг. «Наши теории никогда не отделяются от нас».
Мы решили переосмыслить космологию с точки зрения наблюдателя. Это потребовало принятия странных правил квантовой механики, которая управляет микромиром частиц и атомов.
Согласно квантовой механике, частицы могут находиться в нескольких возможных местах одновременно — это свойство называется суперпозицией. Только когда за частицей наблюдают, она (случайно) занимает определенное положение. Квантовая механика также включает в себя случайные скачки и флуктуации, такие как появление частиц из пустого пространства и их повторное исчезновение.
Таким образом, в квантовой вселенной осязаемое прошлое и будущее возникают из тумана возможностей посредством непрерывного процесса наблюдения. Такие квантовые наблюдения не обязательно должны выполняться людьми. Окружающая среда или даже отдельная частица могут «наблюдать».
Бесчисленные такие квантовые акты наблюдения постоянно преобразовывают то, что могло бы быть, в то, что происходит, тем самым более прочно притягивая вселенную к существованию. И как только что-то было замечено, все другие возможности становятся неуместными.
Мы обнаружили, что, оглядываясь назад на самые ранние стадии Вселенной через квантовую линзу, мы обнаружили более глубокий уровень эволюции, на котором даже законы физики меняются и развиваются синхронно с формирующейся Вселенной. Более того, эта метаэволюция имеет дарвиновский привкус.
Вариация возникает потому, что случайные квантовые скачки вызывают частые отклонения от наиболее вероятного. Отбор возникает потому, что некоторые из этих экскурсий могут быть усилены и заморожены благодаря квантовому наблюдению.
Взаимодействие между этими двумя конкурирующими силами — вариацией и отбором — в первобытной вселенной породило разветвленное древо физических законов.
Результатом является глубокая ревизия основ космологии. Космологи обычно начинают с предположения о законах и начальных условиях, существовавших в момент Большого взрыва, а затем рассматривают, как из них возникла сегодняшняя Вселенная. Но мы предполагаем, что сами эти законы являются результатом эволюции.
Измерения, силы и виды частиц преобразовываются и диверсифицируются в горниле горячего Большого Взрыва — в чем-то аналогично тому, как биологические виды возникают миллиарды лет спустя — и со временем приобретают свою эффективную форму.
Более того, вовлеченная случайность означает, что результат этой эволюции — особый набор физических законов, которые делают нашу Вселенную такой, какая она есть, — можно понять только в ретроспективе.
В некотором смысле ранняя Вселенная представляла собой суперпозицию огромного числа возможных миров. Но мы смотрим на Вселенную сегодня, в то время, когда существуют люди, галактики и планеты. Это означает, что мы видим историю, которая привела к нашей эволюции.
Мы наблюдаем параметры со «счастливыми значениями». Но мы ошибаемся, полагая, что они были каким-то образом спроектированы или всегда были такими.
Беда со временем
Суть нашей гипотезы в том, что, если рассуждать назад во времени, эволюция в сторону большей простоты и меньшей структуры продолжается до конца. В конце концов, даже время, а вместе с ним и физические законы исчезают.
Эта точка зрения особенно подтверждается голографической формой нашей теории. «Голографический принцип» в физике предсказывает, что точно так же, как голограмма кажется трехмерной, хотя на самом деле она закодирована только в двух измерениях, эволюция всей вселенной аналогичным образом закодирована на абстрактной вневременной поверхности.
Хокинг и я рассматриваем время и причинность как «эмерджентные качества», не имеющие предшествующего существования, но возникающие в результате взаимодействия между бесчисленными квантовыми частицами. Это немного похоже на то, как температура возникает из множества атомов, движущихся коллективно, даже если ни один из атомов не имеет температуры.
Можно отправиться в прошлое, уменьшив масштаб и взглянув на голограмму более нечетко. В конце концов, однако, теряется вся информация, закодированная в голограмме. Это и есть начало времени — Большой Взрыв.
Почти столетие мы изучали происхождение Вселенной на стабильном фоне незыблемых законов природы. Но наша теория рассматривает историю Вселенной изнутри и как включающую на самых ранних стадиях генеалогию физических законов. Последнее слово принадлежит не законам как таковым, а их способности трансмутировать.
Будущие космологические наблюдения могут найти подтверждение этому. Например, точные наблюдения за гравитационными волнами — рябью в ткани пространства-времени — могут выявить следы некоторых из ранних ветвей Вселенной. Если его заметят, космологический финал Хокинга вполне может оказаться его величайшим научным наследием.
Томас Хертог, профессор физики, KU Leuven.
Поделитесь в вашей соцсети👇
