Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Слушатели часто удивляются, когда я говорю, что работаю одновременно над несколькими моделями, зная при этом, что все они не могут оказаться верными и что данные БАКа, вероятно, помогут в них разобраться и определить, которая из них верна. Они удивляются еще сильнее, когда слышат, что я не обязательно приписываю очень уж большую вероятность той модели, над которой работаю. Тем не менее я стараюсь выбирать такие модели, которые освещали бы по–настоящему новый способ экспериментального поиска. Модели, которые я рассматриваю, имеют, как правило, какую‑нибудь интересную черту или механизм, предлагающие возможное объяснение загадочных явлений. Учитывая множество неизвестных — и неопределенные критерии прогресса, — прогнозирование и интерпретирование реальности представляет собой серьезную проблему. Только чудом можно было бы создать единственно верную модель с первой попытки.

В теориях многомерного мира есть очень интересная черта: в их создании участвовали оба подхода — и «снизу вверх», и «сверху вниз». Специалисты по теории струн признали принципиальную важность бран в своих теоретических построениях. А приверженцы подхода «снизу вверх» поняли, что, переформулировав проблему иерархии в терминах гравитации, можно найти альтернативные решения.

В настоящее время теоретические идеи проходят проверку на Большом адронном коллайдере. Сделанные на БАКе открытия, какими бы они ни оказались, будут направлять и сдерживать в будущем создание моделей. Получив экспериментальные результаты для энергичных столкновений, мы сможем определить, какие из моделей истинны. Даже если наблюдения не подтвердят ни одной из предложенных моделей, опыт их создания поможет нам ограничить диапазон возможностей и приблизиться к истине.

Моделирование помогает распознать возможности, предложить новые поисковые стратегии и корректно интерпретировать уже полученные данные. Возможно, нам повезет угадать. Но моделирование также позволяет нам внимательнее взглянуть на цель нашего поиска. Даже если в ходе экспериментов не оправдаются полностью предсказания ни одной из моделей, они все же помогут нам разобраться в любых полученных результатах. Именно экспериментальные результаты должны рассортировать многочисленные идеи и гипотезы и определить, которая из них — если такая есть — верно описывает действительность. Если ни одна из существующих моделей не сработает, данные помогут нам в работе над новыми моделями.

Высокоэнергетические эксперименты — не просто поиск новых частиц. Это, по существу, поиск структуры фундаментальных физических законов, обладающих еще большими объяснительными возможностями. Пока эксперименты не дадут ответов на наши вопросы, мы можем лишь строить предположения. Пока мы не стесняемся применять эстетические критерии при выборе модели, которая представляется нам верной. Но, когда в экспериментах будут достигнуты энергии или расстояния и набрана статистика, необходимая для различения моделей, мы будем знать много больше. Экспериментальные результаты — те, что мы надеемся получить на БАКе — определят, какие из наших предположений верны, и таким образом помогут установить фундаментальную природу реальности.

Когда‑то давно, когда я училась в начальной школе, однажды утром я прочла ошеломляющую новость о том, что Вселенная внезапно состарилась вдвое. Меня это поразило до глубины души. Как может такой важный фактор, как возраст Вселенной, меняться настолько радикально, не нивелируя при этом все остальные наши знания об окружающем мире?

Сегодня же меня удивляет другое. Меня поражает, как много и точно мы сумели узнать о Вселенной и ее истории. Мы теперь знаем не только возраст Вселенной точнее, чем когда‑либо; мы знаем, как изменялась Вселенная во времени, как формировались атомные ядра, как галактики и скопления галактик начинали свой эволюционный путь.

Космология в последние годы вступила в замечательную эпоху, когда революционные достижения, — и экспериментальные, и теоретические, — помогли полупить чрезвычайно обширное и подробное описание, в возможность которого никто не поверил бы еще 20 лет назад. Совместив передовые экспериментальные методики с вычислениями, сделанными на основе общей теории относительности и физики элементарных частиц, ученые получили подробную картину того, что представляла собой Вселенная на ранних стадиях и как она развивалась во времени до нынешнего состояния.

До сих пор эта книга сосредоточивалась в первую очередь на мелких масштабах, где мы исследовали внутреннюю природу вещества. Достигнув сегодняшнего предела в путешествии внутрь материи, мы можем теперь перейти к масштабам, разговор о которых был начат в главе 5, и поговорить о размерах объектов внешней Вселенной.

При этом не следует забывать об одной существенной особенности, из‑за которой путешествие к космическим масштабам отличается от путешествия в глубины вещества; мы ведь не можем аккуратно разложить по полочкам все аспекты Вселенной, опираясь на одни только размеры. Наблюдения не просто регистрируют сегодняшнее состояние Вселенной; из‑за конечности скорости света они в каком‑то смысле позволяют нам заглянуть в прошлое. Структуры, которые мы видим сегодня, вполне могут оказаться обитателями ранней Вселенной, свет от которых добрался до наших телескопов через миллиарды лет после того, как был излучен. Добавим, что нынешняя сильно расширившаяся Вселенная могла бы многократно вместить более раннюю версию самой себя.

Тем не менее размер играет очень существенную роль в интерпретации наших наблюдений — как нынешнего состояния Вселенной, так и истории ее развития во времени, и в этой главе мы поговорим о том и о другом. Во второй части главы мы рассмотрим эволюцию Вселенной как целого, начиная с крохотного первоначального размера и заканчивая большой и сложной структурой, которую мы наблюдаем сегодня. Но сначала мы познакомимся с сегодняшней Вселенной и с некоторыми размерами, характеризующими то, что нас окружает. Мы пройдем по шкале масштабов снизу вверх — от привычных предметов к большим размерам и более отдаленным объектам на Земле и в космосе. Наша экскурсия по большим масштабам и объектам будет значительно короче, чем предыдущее путешествие в глубины материи. Несмотря на богатство структуры Вселенной, большую часть того, что мы видим, можно объяснить при помощи известных физических законов — не фундаментальных, а новых. Формирование звезд и галактик протекает в соответствии с известными законами химии и электромагнетизма — наук, берущих начало в уже рассмотренных нами малых масштабах. Здесь, однако, и гравитация играет принципиально важную роль: все зависит от скорости и плотности объектов, на которые она действует.

Книга и фильм «Степени десяти» (Powers of Ten) — одно из классических путешествий по далеким мирам и измерениям — начинаются и заканчиваются изображением пары людей, сидящих на травке в парке в Чикаго; надо сказать, что это место подходит для начала нашего путешествия не хуже любого другого. Постоим мгновение на твердой земле (которая, как нам уже известно, состоит в основном из пустоты) и оглядимся вокруг. Какие привычные размеры и расстояния мы увидим? Но не будем задерживаться на человеческом масштабе — примерно двухметровом, — а покинув это уютное гнездышко, устремимся к новым высотам и большим размерам (на рис. 70 вы можете увидеть примеры масштабов, о которых пойдет речь в этой главе).