Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности - Макс Тегмарк

• Инфляция превращает потенциальное в реальное: если математические уравнения, описывающие однородное пространство, имеют множество решений, то вечная инфляция будет порождать бесконечные области пространства, реализующие каждое из этих решений. Так устроен мультиверс II уровня.

• Многие физические законы и постоянные в мультиверсе I уровня могут изменяться в мультиверсе II уровня, так что в параллельных вселенных I уровня студенты изучают одну и ту же физику, но разную историю, а в параллельных вселенных II уровня они изучают и разную физику.

• Это может объяснить, почему многие константы в нашей Вселенной настолько точно настроены для жизни, что если немного изменить их значения, то жизнь, какой мы её знаем, станет невозможной.

• Кроме того, это наделяет новым смыслом множество числовых параметров, измеряемых в физике: они не говорят нам ничего фундаментального о физической реальности, а описывают в основном нечто, относящееся к нашему местоположению в ней, и образуют наш космический почтовый индекс.

• Хотя эти параллельные вселенные остаются предметом споров, основная критика в их адрес поменялась с «Это не имеет смысла, и я это ненавижу» на «Я это ненавижу».

«Нет, это какая-то ерунда! Здесь где-то ошибка», — я один в комнате подруги в стокгольмском общежитии готовлюсь к первому экзамену по квантовой механике. В учебнике говорится: малые объекты, вроде атомов, могут находиться в нескольких местах одновременно, а крупные объекты, вроде людей, — не могут. «Как бы не так! — говорю я себе. — Люди состоят из атомов, и если те могут быть в нескольких местах сразу, то и мы, конечно, тоже!» Там также сказано, что всякий раз, когда некто наблюдает, где находится атом, тот случайным образом прыгает в одно из тех мест, где он ранее пребывал. Но я не нашёл ни одного уравнения, описывающего, что именно полагается считать наблюдением. «Может ли робот считаться наблюдателем? А отдельный атом?» В книге говорилось лишь, что любая квантовая система изменяется детерминистическим образом согласно уравнению Шрёдингера. Но разве это логически совместимо с подобными случайными прыжками?

Я набрался смелости и постучался в дверь нашего крупнейшего эксперта, профессора физики из Нобелевского комитета. Двадцать минут спустя я вышел из кабинета в полном недоумении, убеждённый, что я умудрился вообще ничего не понять. Так началось моё долгое и до сих пор не подошедшее к концу путешествие к квантовым параллельным вселенным. Лишь пару лет спустя, перебравшись для работы над диссертацией в Беркли, я понял, что это было вовсе не моё непонимание. Выяснилось, что многие знаменитые физики горячо спорят о проблемах квантовой механики, и я получил немало удовольствия от сочинения собственных статей на эту тему.

Но прежде чем рассказывать о своём понимании того, как всё это увязывается (гл. 8), я хочу вернуться в прошлое, чтобы дать возможность в полной мере прочувствовать безумство квантовой механики и то беспокойство, которое она вызывает.

Когда в прошлый раз я спросил Александра, своего сына, какой подарок он желает получить ко дню рождения, он ответил: «Удиви меня! Подойдёт всё, что угодно, если это будет „Лего“». Я тоже люблю «Лего», и, мне кажется, наша Вселенная — тоже: всё в ней состоит из одинаковых «строительных блоков» (рис. 7.1). По-моему, замечательно, что один набор космического конструктора (80 стабильных атомов периодической таблицы)[29] может служить для создания вообще всего на свете — от камней до кроликов, от звёзд до стереосистем, — и вся разница сводится к тому, сколько нужно деталей каждого типа и как они расположены.

Рис. 7.1. Карандашный грифель сделан из графита, который состоит из слоёв атомов углерода (здесь дано изображение, полученное сканирующим туннельным микроскопом), которые состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые могут, в свою очередь, оказаться колеблющимися струнами. Сменный грифель, который я покупаю для работы, содержит около 2 × 1021 атомов, так что вы могли бы разрезать его пополам 71 раз.

Идея конструктора «Лего» — использование неделимых строительных блоков — имеет, конечно, долгую историю, причём самим термином «атом» мы обязаны древним грекам: это слово означает «неделимый». Платон в диалоге «Тимей» доказывал, что четыре основных элемента, признаваемых в то время (земля, вода, воздух и огонь), состоят из атомов четырёх типов. Атомы представляют собой крошечные невидимые математические объекты — соответственно кубы, икосаэдры, октаэдры и тетраэдры, — четыре из пяти правильных многогранников, называемых в честь древнегреческого философа платоновыми телами (рис. 7.2). Платон писал, что острые углы тетраэдра обуславливают боль, причиняемую огнём, округлая форма икосаэдра обеспечивает текучесть воды, а уникальной способностью кубов к плотной укладке объясняется твёрдость Земли. Хотя эта очаровательная теория в итоге была опровергнута наблюдением, некоторые её аспекты устояли, и среди них предположение о том, что каждый химический элемент состоит из определённого типа атомов, а свойства вещества определяются свойствами его атомов. Более того, в гл. 10 я объясню, что самые фундаментальные «строительные блоки» нашей Вселенной — математические (в ином смысле, нежели предполагал Платон: Вселенная не состоит из математических объектов, а сама является частью единственного математического объекта).

Рис. 7.2. Платоновы тела: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Лишь додекаэдр не вошёл в платоновскую атомистическую теорию.

Для становления современной атомной теории понадобилось два тысячелетия, а знаменитый австрийский физик Эрнст Мах ещё в начале XX века отказывался верить в реальность атомов. Его, безусловно, впечатлили бы наши возможности получения изображений отдельных атомов (рис. 7.1) и даже манипулирования ими.