Большая идея: почему законы физики никогда не объяснят Вселенную

 Мы должны думать о космосе больше как о животном, чем о машине.

Иллюстрация: Элиа Барбьери. (Фото: theguardian.com)

Трудно смириться с огромными масштабами космоса: сотни миллиардов звезд в нашей галактике и, как минимум, триллионы галактик во Вселенной. Но для космолога есть кое-что еще более интригующее, чем сами ошеломляющие цифры, а именно вопрос о том, как все эти звезды и галактики были созданы в течение 13,8 миллиардов лет. Это настоящее доисторическое приключение. Жизнь не может развиваться без планеты, планеты не формируются без звезд, звезды должны быть колыбелью внутри галактик, а галактики не могли бы существовать без поддерживающей их богато структурированной Вселенной. Наши истоки написаны на небе, и мы только учимся их читать.

Когда-то казалось, что при всей своей необъятности космос можно понять, применяя небольшое количество жестких физических законов. Ньютон воплотил эту идею, показав, как яблоки, падающие с деревьев, и орбиты планет вокруг нашего Солнца возникают из-за одной и той же силы — гравитации. Такого рода радикальное объединение земных и небесных явлений сохранилось в современном учении: предполагается, что все бесчисленные молекулы, атомы и субатомные частицы во Вселенной подчиняются одному и тому же набору законов. Большинство свидетельств свидетельствует о том, что это предположение верно, поэтому из этого следует, что совершенствование нашего понимания этих законов разрешит все оставшиеся вопросы о космической истории.

И все же это логическая ошибка. Даже если мы представим, что человечество в конце концов откроет «теорию всего», охватывающую все отдельные частицы и силы, объяснительная ценность этой теории для Вселенной в целом, скорее всего, будет незначительной. В течение 20-го века, даже когда физика элементарных частиц раскрыла секреты атомов, стало ясно, что поведение на макроуровне нельзя понять, сосредоточив внимание исключительно на отдельных объектах.

Социальные насекомые здесь, на Земле, являются полезным примером. Армейские муравьи, например, роятся в поисках колоний более мелкой добычи, которую затем пожирают. Во время роения они совершают необычайные подвиги сотрудничества, используя свои тела, чтобы сгладить местность или даже построить мосты через неровную землю.

С человеческой точки зрения, коллективное поведение муравьев может означать, что руководитель в гнезде формулирует стратегии для эффективного достижения добычи, но такого лица, принимающего решения, нет. Есть просто муравьи-одиночки, которые следуют простым неизменным правилам, например, присоединяются к муравьиному мосту, если позади него толпятся многие особи, и покидают сооружение, если другие не переползают через него. Изощренность возникает из-за огромного количества людей, следующих этим правилам. Как выразился физик Филип У. Андерсон: «Чем больше, тем лучше».

Солнечная система, которая, казалось бы, является воплощением предсказуемости часового механизма, по этой причине имеет неопределенное долгосрочное будущее. В изоляции одна планета вокруг одной звезды будет бесконечно вращаться по орбите, но на самом деле существует несколько планет, и каждая из них, хотя и очень тонко, притягивает другие. Со временем серия крошечных толчков может привести к большому эффекту, для предсказания которого требуется чрезмерное количество вычислений.

В некоторой степени компьютеры могут справиться с этой задачей, моделируя коллективный результат путем добавления индивидуальных влияний с помощью быстрой и надежной арифметики. Проблема в том, что симуляции расходятся друг с другом. Некоторые предсказывают, что Солнечная система стабильна, несмотря на постоянные толчки, в то время как другие предполагают, что в течение нескольких миллиардов лет Меркурий может быть склонен к столкновению с Венерой или даже выброшен в глубокий космос.

Симуляции Солнечной системы расходятся, потому что никакие расчеты не могут полностью учесть все влияния, и даже малейшее расхождение в отношении отдельных толчков в конечном итоге приводит к совершенно другому результату. Это пример явления, известного как хаос, и оно одновременно волнует и беспокоит. Захватывающе, потому что это показывает, что планетарные системы могут демонстрировать гораздо более богатое поведение, чем можно было бы предположить из холодного, безжизненного закона гравитации. Тревожно, потому что, если даже Солнечная система хаотична и непредсказуема, мы можем беспокоиться, что попытка понять более широкую Вселенную — обреченное предприятие.

Если даже Солнечная система непредсказуема, попытка понять более широкую Вселенную может показаться обреченным предприятием.

Рассмотрим галактики, размеры которых в среднем в десятки миллионов раз превышают размеры Солнечной системы и которые весьма разнообразны по форме, цвету и размеру. Понимание того, как галактики стали такими разнообразными, требует от нас, как минимум, знания того, как и где в них образовались звезды. Однако звездообразование — это хаотический процесс, в котором рассеянные облака водорода и гелия медленно конденсируются под действием гравитации, и ни один компьютер даже близко не способен отследить все необходимые атомы (только на нашем Солнце их около 1057). Даже если бы вычисление было возможным, хаос экспоненциально увеличил бы мельчайшие неопределенности, лишив нас возможности получить окончательный ответ. Если бы мы были строго придерживаться традиционных законов физики в качестве объяснения галактик, вот и конец пути.

Чтобы уместиться в компьютерах, симуляция формирования галактики должна свалить вместе огромное количество молекул, описывая, как они перемещаются в массе, толкают друг друга, переносят энергию, реагируют на свет и излучение и т. д., и все это без явного указания на бесчисленное количество индивидуумов внутри. Это требует от нас творческого подхода, поиска способов описания сути множества различных процессов, допускающих ряд результатов, не зацикливаясь на деталях, которые в любом случае непознаваемы. Наши симуляции обязательно опираются на экстраполяции, компромиссы и тотальные предположения, разработанные экспертами. Неопределенные части охватывают не только звезды, но и черные дыры, магнитные поля, космические лучи и еще не понятую «темную материю» и «темную энергию», которые, по-видимому, управляют общей структурой Вселенной.

Это никогда не приведет к созданию буквальной цифровой копии вселенной, в которой мы живем. Такое воссоздание так же невозможно, как и точный прогноз будущего Солнечной системы. Но симуляции, основанные даже на поверхностных описаниях и наилучших предположениях, могут служить ориентиром, предполагая, как галактики могли развиваться с течением времени, позволяя нам интерпретировать результаты все более совершенных телескопов и подсказывая нам, как узнать больше.

В конечном счете, галактики меньше похожи на машины, а больше на животных — малопонятные, полезные для изучения, но лишь частично предсказуемые. Принятие этого требует изменения точки зрения, но это делает наше видение Вселенной еще богаче.

Источник