Предисловие

В своей книге «Бог и атом», вышедшей в 2013 году, я проследил историю развития возникшей в древности мысли о том, что в мире нет ничего, кроме атомов и пустоты, в нем нет места богам, духам и другим сверхъестественным существам. Эта история начинается 2,5 тыс. лет назад с идей греческих философов Левкиппа (V век до н.э.) и Демокрита (около 460–370 годов до н.э.) и заканчивается открытием бозона Хиггса в 2012 году, которое по счастливой случайности совпало с финальным этапом работы над книгой. Открытие бозона Хиггса окончательно подтвердило стандартную модель элементарных частиц, принятую в 70-х годах XX века и с тех пор ни разу не вступавшую в противоречие с какими-либо данными.

Но сказать, что в этой истории поставлена точка, нельзя. С двукратным увеличением мощности Большого адронного коллайдера мы можем ожидать перехода на следующий уровень познания сущности материи — того, что, возможно, стоит за стандартной моделью.

В этой книге я буду двигаться от частного к общему, исследуя, как сильно преобразились человеческие взгляды на мир за последние 10 000 лет — от примитивных представлений о плоской земле, лежащей между небесным царством и подземным миром, до теперешней величественной картины с сотнями миллиардов звезд и галактик в ночном небе Мы рассмотрим, как союз космологии и физики элементарных частиц породил представления о безграничной и вечной Мультивселенной, в которой наша Вселенная — лишь одна из бесчисленного множества других.

Разумеется, существование других Вселенных за пределами нашей не было подтверждено экспериментально — во всяком случае, пока. Вскоре мы увидим, что подтверждение гипотезы Мультивселенной не выходит за рамки потенциально возможного.

Учитывая то доверие, которым сегодня пользуется в научной среде гипотеза Мультивселенной, философы и теологи не могут просто отмахнуться от выводов, которые влечет за собой эта идея. Представители большинства религиозных течений столкнутся с серьезными трудностями, если попытаются примирить свою веру в Бога-творца с вечной, никем не созданной Мультивселенной.

Даже без учета гипотезы Мультивселенной в нашей родной видимой Вселенной существуют квадриллионы планет, потенциально пригодных для жизни. Как теистам удастся согласовать этот факт с верой в то, что люди — особое Божье творение?

Как станет ясно из первых глав этой книги, древнегреческие астрономы на основании наблюдений пришли к выводу (за одним или двумя исключениями), что Солнце, Луна, планеты и звезды вращаются вокруг сферической Земли. Во II веке н.э. александрийский астроном Клавдий Птолемей на основании выдающихся для своего времени математических расчетов разработал комплексную геоцентрическую модель Солнечной системы. Благодаря его модели стало возможно делать точные предсказания движения планет, орбиты которых, как люди заметили еще в древности, не являются идеальными кругами.

Эта модель просуществовала до XVI века, когда польский астроном и каноник Николай Коперник (1473–1543) предположил, что Земля — всего лишь одна из планет, вращающихся вокруг Солнца. Эта идея была впервые выдвинута Аристархом Самосским в III веке до н.э. (около 310–230 годов дон. э.) и нашла окончательное подтверждение в XVII веке благодаря флорентийскому физику Галилео Галилею (1564–1642) и изобретенному им телескопу. Мы подробно рассмотрим все эти события и увидим, что их истинное значение не совсем таково, как принято считать.

Галилей также создал новую науку — механику материальной точки, которая в полной мере развилась спустя поколение в Англии благодаря, возможно, величайшему ученому-аналитику всех времен Исааку Ньютону (1642–1727).

Секрет успеха новой науки заключался в том, что решающее слово в вопросах, касающихся материального мира, больше не принадлежало священным авторитетам, на смену им пришло наблюдение. Это справедливо, во всяком случае для ученых, не связанных церковными догмами. Эту доктрину, называемую эмпирическим подходом, впервые предложил Фрэнсис Бэкон (1561–1626). Позже ее развил Джон Локк (1632–1704), и она стала основополагающим принципом работы организации, которая определяла стандарты на протяжении всей последующей научной эпохи, — Лондонского королевского общества по развитию знаний о природе. Его учреждение было утверждено хартией английского короля Карла II в 1662 году, вскоре после того, как он вернулся на трон.

В эпоху научной революции телескопы стали мощнее, и наконец люди осознали, что Солнце — всего лишь одна из звезд галактики Млечный Путь. Благодаря огромным зеркальным телескопам, изобретенным еще Ньютоном, а теперь повсеместно установленным на горных вершинах, XX век шагнул далеко вперед в изучении космоса. Наша родная галактика, Млечный Путь, оказалась всего лишь одной из множества других галактик видимой Вселенной, которых насчитывается, как мы теперь знаем, порядка сотен миллиардов, и каждая из них состоит примерно из 100 млрд. звезд.

Не меньшим потрясением стало открытие того, что Вселенная расширяется и большинство галактик в ней удаляются друг от друга со скоростью, нарастающей по мере увеличения расстояния между ними. Это натолкнуло ученых на мысль, что Вселенная представляет собой отголосок так называемого Большого взрыва, произошедшего, по нынешней оценке, 13,8 млрд. лет назад.

Оценки астрономов относительно размеров видимой Вселенной увеличились с 1000 световых лет в 1900 году до 46,5 млрд. световых лет в 2000 году. Любой сигнал, движущийся со скоростью света, полученный с этого расстояния, происходит от Большого взрыва. Сигнал, пришедший с меньшего расстояния, может иметь другой, более поздний источник. Сигнал, идущий с большего расстояния, не достиг бы нас за время существования Вселенной. Такой сигнал выходит за пределы космологического горизонта. Но, обратите внимание, это не значит, что дальше этой точки нет ничего.

К концу XX столетия космологи накопили убедительные доказательства того, что в первую крохотную долю секунды своего существования Вселенная скачкообразно расширилась на много порядков. А значит, размеры Вселенной, образовавшейся вследствие этого первоначального взрыва, значительно, возможно на сотни порядков, превышают размеры части, ограниченной нашим горизонтом.

Уже этого достаточно, чтобы у читателя закружилась голова. Но не забывайте, появились веские основания считать, что вся наша бескрайняя Вселенная — всего лишь одна из несчетного числа других, часть Мультивселенной, простирающейся бесконечно в пространстве и времени, как в прошлом, так и в будущем. Если она существует, то у нее нет ни начала, ни конца.

Эти выводы не умозрительны, они основаны на огромном числе наблюдений, которые ведутся с горных высот, из космоса и из-под земли. Этих наблюдений становится все больше, точность их возрастает. Раньше основным источником информации о космосе были фотоны — электромагнитные частицы, испускаемые астрономическими объектами. Мы можем наблюдать их не только в той части спектра, которую способны воспринимать наши глаза, но и в диапазоне на 20 и более порядков шире видимой части электромагнитного спектра.

Теперь же к астрономии фотонов добавилась новая, молодая и развивающаяся дисциплина — нейтринная астрономия, способная показать Вселенную под другим углом. Нейтрино почти не взаимодействуют с материей и способны проходить сквозь нее совершенно бесследно. Похоже, что благодаря этим частицам мы сможем узнать много нового о космических явлениях и процессах, которые нельзя исследовать с помощью фотонов.

Каждый из этих методов наблюдения по-своему способствовал усовершенствованию наших знаний о Вселенной, однако наибольшую роль сыграли, пожалуй, измерения анизотропии РИ, сохранившегося после Большого взрыва. Благодаря им были получены данные о волнах звукового диапазона, порожденных квантовыми флуктуациями на самом раннем этапе развития Вселенной, которые в конечном итоге привели к появлению сложной структуры материи, впоследствии сформировавшей современные галактики. Большой взрыв и вправду был громким. Данные РИ, образно говоря, отражают основной тон и обертоны, возникшие при игре на грубо сделанном инструменте в зале с плохой акустикой, тем не менее они позволили космологам не только определить характеристики этого инструмента, но и выяснить кое-что о планировке самого зала.

Эти и другие наблюдения показали, что светящееся вещество — звезды и облака горячего газа, которые мы наблюдаем в небе невооруженным глазом и с помощью телескопа, — составляет всего 0,5% от общей массы Вселенной. Еще 4,5% приходится на долю несветящегося вещества: планет и потухших звезд, которые также состоят из хорошо знакомых нам атомов. Еще 26% вещества имеет в своей основе нечто отличное от атомов и составляющих их элементарных частиц. Это до сих пор не найденное вещество получило название «темная материя». Оставшиеся 69% представлены загадочной темной энергией, под действием которой Вселенная расширяется все быстрее, и этот процесс будет продолжаться бесконечно, разрежая ее все сильнее.

В современном мире термином «атом» традиционно обозначают элементы периодической таблицы Менделеева. Однако, если использовать это слово применительно к основному «неделимому» веществу Вселенной, чем бы оно ни было, вспомнив значение, которое ему придавали древние греки, мы вернемся к определению, которым они описывали материальный мир: «Всё есть атомы и пустота». Пустота, в свою очередь, — это пространство между атомами.

Заметьте, что темная энергия полностью материальна, на нее действуют гравитация и инерция, что характеризует ее как материю. Энергия — это одно из свойств материи, а не что-то отдельное от нее.

Но эта книга — больше чем просто история космологии, рассказанная специалистом по физике элементарных частиц. С древних времен, созерцая окружающий мир, люди искали объяснение увиденному. До недавних пор им катастрофически не хватало инструментов, как материальных, так и интеллектуальных, чтобы создать достоверную картину мира, свободную от мистики и суеверий. Не будучи в состоянии увидеть настоящие силы, вызывающие многие явления, они придумали мифы, объясняющие эти явления с точки зрения знакомых, но более могущественных сил, чем те, которые они видели или, как в случае с ветром, чувствовали.

Что касается космоса, то небо представлялось им небесным сводом, а резкий контраст между точными движениями небесных тел и непредсказуемым поведением Земли наводил на мысль о том, что ими управляют боги или даже что они сами являются богами. Большую часть истории человечества астрономия и астрология были связаны. При этом астрономия предоставляла точный часовой механизм, позволявший эффективно предсказывать события, подобные разливу Нила. Астрология же давала бессмысленные предсказания, например в какой день лучше начать войну.

Благодаря Копернику, Галилею и Ньютону у нас появилась менее антропоцентрическая модель мира. Но на протяжении веков, вплоть до недавнего времени, большинство ученых все же считали, что за любым явлением должен стоять Божий промысел.

В этой книге будут описаны события, которые привели к значительным успехам современной космологии и появлению современной картины Вселенной, включающей также изумительную возможность существования множества других вселенных. Подавляющее большинство людей не осознает истинной ценности этих открытий. Надеюсь, мне удастся сделать их хоть немного более простыми для понимания.

Мы увидим, что при описании Вселенной, доступной нашим органам чувств и наблюдательным приборам, можно обойтись без каких бы то ни было сверхъестественных сил. Это утверждение оспаривают люди, заявляющие, что не могут понять, как настолько сложные структуры, которые мы видим повсюду вокруг себя на Земле и в космосе, могли появиться без вмешательства сверхъестественной Божественной силы. Из этого они делают вывод, что Бог-создатель обязан существовать.

Как мы увидим в этой книге на множестве примеров, этот аргумент к сложности представляет собой не более чем доказательство, основанное на пробелах в научных и естественных данных, менее вежливо его еще называют «аргументом к невежеству». То, что отдельный автор не может понять, как тот или иной феномен объясняется с научной точки зрения, не означает, что единственно возможное объяснение — сверхъестественное.

Наука ищет естественные объяснения всех явлений, поскольку эти объяснения зачастую оказываются полезными для всего человечества. Что бы делали современные подростки без смартфонов, в основе работы которых лежит теория электромагнетизма? В самом деле, представьте себе мир без электричества. В общем-то его и представлять не нужно — взгляните на историю.

У науки есть и еще одно применение, вероятно даже более важное, чем ее прикладная функция. Чем больше у нее появляется возможностей продемонстрировать несостоятельность мистического мировосприятия — неотъемлемой части любой религии, тем меньше людей будут полагаться на этот бесполезный и опасный жизненный ориентир. От преодоления мистического восприятия действительности зависит выживание человечества в будущем.

Современные представления о материальном мире хорошо описываются стандартной моделью элементарных частиц и множеством космологических моделей. Разумеется, отнюдь не каждый феномен имеет доказанное объяснение в рамках этой концепции. Мы познали далеко не все, да и никогда всего не познаем. Будьте уверены, все то множество информации, которое вы найдете в этой книге, в конце концов тоже устареет. Все, что нам остается, — это разрабатывать правдоподобные модели на основании результатов наблюдений, имеющихся на сегодняшний день. Поскольку эти естественные модели более экономны, что значит основаны на меньшем количестве предположений, чем их сверхъестественные альтернативы, они достаточно жизнеспособны для того, чтобы опровергнуть любые заявления о том, что наука якобы подтверждает существование каких бы то ни было богов или духов.

В этой книге основной упор будет сделан на науку, причем больше на экспериментальную и эмпирическую часть, нежели на теорию. До ухода на пенсию я работал профессором университета, на протяжении 40 лет учил студентов и проводил исследования в области физики элементарных частиц и астрофизики. Этим я отличаюсь от большинства профессиональных физиков и космологов, авторов научно-популярных книг, в которых основной упор делается на теорию. Многие из этих книг очень хороши, и я часто ссылаюсь на них. Однако обычно стараюсь избегать многочисленных теоретических спекуляций, которые можно встретить в их книгах, и без того занимательных, и строго придерживаться объективных данных.

Разумеется, мне не удастся совсем избежать теоретической интерпретации, так как между экспериментальной и теоретической наукой существует тесная связь. Но в случаях, когда все же приходится это делать, я стараюсь выбирать самые простые модели, согласующиеся со всеми имеющимися результатами наблюдений, и выдвигать как можно меньше гипотез, в которых нет объективной нужды. В частности, я не трачу время на теории, содержащие проблемы логического или математического характера, которые вынуждают их сторонников выпускать одну за другой работы, в которых они пытаются эти проблемы решить. Это их дело, не мое. Если какое-то из уравнений стремится к бесконечности, значит, оно ошибочно, поскольку, как мы с вами увидим, в эмпирическом мире места бесконечности нет. Сюда же относится так называемая сингулярность, которую столь многие все еще считают ответственной за появление нашей Вселенной на свет.

Понятен восторг математиков и физиков-теоретиков, вызываемый математическими чудесами и тем, как неожиданно, а иногда даже вопреки всякому здравому смыслу им находится удачное практическое применение. Из-за этого они (за некоторыми заслуживающими внимания исключениями, о которых я упомяну) начинают рассматривать уравнения и другие объекты математики как элементы реальности. Они придерживаются идеи, впервые высказанной Платоном (438–427 годы до н. а), согласно которой все то, что мы видим, — это всего лишь тени или отражения истинной реальности, которая существует в мире идей.

Я с этим не согласен. Подход, которого я строго придерживаюсь, заключается в том, что только путем наблюдений мы можем получить информацию об окружающем мире. Модели, которые мы строим на основании этих наблюдений, — это просто попытки рационально осмыслить наблюдения и найти им практическое применение. Модели могут включать в себя математические абстракции, но было бы ошибкой полагать, что эти абстракции имеют хоть какое-то отношение к объективной реальности, лежащей за явлениями, которые мы можем познать с помощью чувств или приборов. Разумеется, хорошая модель должна иметь связь с реальностью. Но у нас нет возможности узнать, какова эта связь. Более того, принятые модели постоянно заменяются новыми, более совершенными. Как же тогда они могут представлять абсолютную реальность?

Нам следует четко разграничивать объекты в рамках моделей и их измеряемые показатели, чего многие ученые, к сожалению, не делают. Сюда входят основные понятия: пространство, время, масса и энергия. В научной практике их измеряют операционально, то есть посредством тщательно установленных воспроизводимых измерений. Таким образом, время — это то, что показывают часы. Температура — то, что показывает термометр. Все эти понятия придумали люди, чтобы количественно измерить результаты наблюдений. Внеземной разум, возможно, придумал бы другие определения. Но и наши, и их понятия вряд ли будут в точности соответствовать элементам реальности.

Не считая божественного откровения, научных данных в поддержку которого не имеется, я не знаю метода, которым можно определить, что на самом деле реально. Все, что нам остается, — это совершенствовать технику наблюдений и описывать их с помощью все более точных моделей.

Хотя физические модели и созданы человеческим разумом, они не субъективны. Если они не согласуются с данными объективных наблюдений, их списывают со счетов. В этом отношении физические модели не являются порождением общества, как пытались утверждать сторонники ныне забытой философии социального конструкционизма. Мои слова часто искажают, не приводя прямой цитаты, а говоря, будто бы я утверждал, что «между реальностью и моделью отсутствует связь». Позвольте мне, насколько возможно, прояснить этот момент. Если модель согласуется с объективными данными, то она имеет некоторое отношение к реальности. Просто мы не в состоянии выяснить, соответствуют ли элементы этой модели каким-либо существующим элементам реальности.

Многие аргументы в поддержку существования мира, недоступного чувственному восприятию, приводимые как богословами, так и учеными-теоретиками, основаны на представлении о том, что можно познавать реальность с помощью чистого разума, в отрыве от каких-либо эмпирических данных. Деятельность разума часто ассоциируется с дедуктивной логикой, однако она включает и другие методы, например индукцию. Но путем дедукции невозможно познать ничего из того, что не отражено в исходных условиях. В лучшем случае она позволяет проверить, согласуется ли высказывание с предпосылками.

Что касается других форм чистого разума, то на протяжении столетий ни один доказуемый факт не был установлен с помощью работы одного только разума или же мистического опыта. Этого достаточно, чтобы исключить его из игры наряду с божественным откровением, равным ему по продуктивности.

В этой книге я затрону сферы компетенции множества специалистов, куда лучше меня разбирающихся в своих предметах. Среди них история, философия, теология, теоретическая физика, астрономия и космология. Эти специалисты по своему обыкновению наверняка будут жаловаться на то, что реальные факты намного сложнее, и скажут, что я слишком упрощаю. Разумеется, никто не может быть экспертом во всем. В то же время я полагаю, что все эти предметы окажутся более простыми или как минимум менее загадочными, чем заявляют специалисты, если мы ограничимся лишь их эмпирическими проявлениями. То, что сегодняшние теоретики называют глубокими проблемами, как правило, имеет больше отношения к их собственным теориям, нежели к наблюдаемым фактам. Квантовая механика — показательный пример теории, которая согласуется со всеми экспериментами в течение уже почти столетия, но люди все еще спорят о том, «что это значит», так и не приблизившись к консенсусу.

Позвольте также сказать пару слов о техническом уровне этой книги. Первые главы не вызовут затруднений у рядового читателя, но, когда мы начнем погружаться в современную физику и космологию, мне, безусловно, придется использовать некоторые сложные термины, которые я постараюсь пояснять сразу по ходу повествования и которые к тому же легко можно найти в Интернете. Однако тем, у кого проблемы с математикой, не следует выходить из себя. Если я привожу уравнение, то это будет не более чем формула, которую можно записать и словами. Но зачем писать «энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате», если Е = mc² значит то же самое, а выглядит намного компактнее? Также стоит ли писать «сто тысяч миллионов миллионов», как издатели заставили сделать Стивена Хокинга, чтобы увеличить уровень продаж, если можно просто написать 10¹⁷?

И хотя более сложной математики в книге не будет, в ней встретится множество графиков, необходимых для понимания количественных результатов. Я подозреваю, что у читателя, взявшего в руки эту книгу, не возникнет проблем с пониманием этих иллюстраций, равно как и с числом 10¹⁷.

Меня часто обвиняют в том, что мои идеи, равно как и идеи других ученых, настолько же догматичны, как и постулаты людей религиозных. Позвольте заявить в ответ: если в будущем появятся экспериментальные данные, опровергающие какой-либо результат или вывод, приведенный в этой книге, я буду несказанно рад внести любые необходимые правки.