Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

С изобретением новых приборов для наблюдения и измерений астрономия стала двигаться вперед семимильными шагами. Пока лазерный частотный гребень находится в стадии разработки и почти не применяется для решения многочисленных астрономических вопросов, ожидающих ответа. Но как только его начнут использовать для обнаружения далеких планет размером с Землю, можно ожидать существенного скачка в поисках жизни во Вселенной.

Есть ли в космосе черные лебеди?

Способность науки доказать что-либо часто переоценивается. Дни сменяются днями, в очередной раз наступает рассвет, но гипотеза о том, что Земля не стоит на месте, а вращается, до сих пор не доказана, она просто получила подтверждение. Благодаря тем же самым наблюдениям можно подтвердить и совершенно противоположные предположения, например, что Солнце вращается вокруг Земли. Однако наука может найти наблюдениям и более достойное применение — они помогают опровергать те или иные гипотезы.

Скажем, гипотеза, гласящая, что все лебеди белые, подтверждается (хотя и не надежно) всякий раз, когда мы видим белого лебедя. Но одно-единственное наблюдение — когда мы своими глазами видим черного (а также красного или синего) лебедя — опровергает эту гипотезу.

Важный пример великой пользы, которую приносят науке наблюдения, дает относительно недавняя работа двух космологов: Мартина Риса и Пита Хата. Они выдвинули предположение, что Вселенная может находиться в опасном нестабильном состоянии, возникшем из-за процесса охлаждения, который сопровождает Вселенную на протяжении всех тринадцати миллиардов лет ее существования. Это состояние было названо метастабильным минимумом, поскольку выглядит Вселенная как будто бы стабильно (метастабильно), но на деле это может оказаться не так. У нее есть все шансы стать весьма нестабильной.

Для лучшего понимания представим себе две горы и ущелье между ними. Круглый валун, лежащий в самой низкой точке ущелья, стабилен, то есть в данном случае устойчив. Вы можете толкать его вверх, в сторону той или другой горы, однако, как бы вы ни старались, в конце концов он все равно скатится на свое место, на самое дно. Но если у одной из гор примерно на полпути к вершине есть уступ и площадка на нем слегка наклонена в сторону склона горы, вы можете представить себе валун, лежащий на этом уступе, и он тоже будет казаться довольно устойчивым. Если вы подтолкнете его к краю уступа, но в последний момент остановитесь, он откатится в изначальное положение. Однако если вы будете толкать с большим упорством, валун доберется до края и рухнет в ущелье. Он находился в метастабильном состоянии, которое перешло в нестабильное.

У Риса и Хата не было способа узнать, какого состояния достигла Вселенная за миллиарды лет остывания: стабильного или метастабильного. А кстати, почему это так важно?

Если Вселенная в действительности нестабильна и скорее напоминает валун на уступе горы, значит, ее можно «столкнуть» с края — в том случае, если в какой-то одной ее точке сконцентрируется достаточное количество энергии. Тогда будет запущена волна уничтожения, распространяющаяся со скоростью света, и в конце концов эта волна разрушит всю Вселенную. Физики исследуют структуру атомов, заставляя их сталкиваться на высокой скорости в громадном устройстве под названием «коллайдер», занимающем несколько квадратных километров. В результате рождаются новые типы частиц (см. главу «Что ускоряет ускоритель ядерных частиц?»). Чтобы это получилось, столкновение в одной точке пространства должно создать чрезвычайно высокую концентрации энергии.

Рис и Хат, проведя вычисления, установили, что никакой современный коллайдер не способен даже приблизиться к опасной концентрации энергии. Но чем мощнее такие устройства, тем больше информации они позволяют собрать — особенно по части того, что творилось в первые мгновения существования Вселенной. Значит, когда-нибудь, пришли к выводу Рис и Хат, ученые смогут построить коллайдер с такой высокой концентрацией энергии, что он поставит под угрозу всю Вселенную.

А дальше они рассуждали так: если мы сможем доказать, что когда-то в прошлом где-либо во Вселенной уже была достигнута подобная высочайшая концентрация энергии, то, поскольку Вселенная все еще на месте, она явно не пострадала от какой-то там волны уничтожения, а следовательно, ее состояние не метастабильно. Фактически Рис и Хат пытались найти черного лебедя — достигнутую где-то в прошлом высокую концентрацию энергии, которая не повлекла за собой никаких разрушительных последствий, — а значит, раз и навсегда отвергнуть гипотезу, что Вселенная пребывает в состоянии метастабильного минимума.

Они рассчитали, что программа тотального уничтожения оказалась бы запущена при концентрации свыше тысячи триллионов электронвольт, а затем принялись выяснять, была ли во Вселенной когда-нибудь достигнута такая концентрация. Ни один из «нормальных» источников энергии не мог подобраться к такой цифре: черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики, пульсары — все они просто пышут энергией, но не в таких огромных концентрациях. Затем Рис и Хат вспомнили о космических лучах — высокоэнергетических частицах, которые мчатся на огромных скоростях сквозь пространство и иногда сталкиваются со звездами и планетами. Однако подобные столкновения тоже не производят того количества энергии, которого хватило бы для полного уничтожения всего сущего.

Наконец, Рис и Хат решили рассмотреть одну крайне нетривиальную ситуацию: а что, если возьмут да и столкнутся две частицы космических лучей (обе крупные и обе движутся со скоростью, близкой к скорости света)? Они выяснили, что в этом случае желаемая (или, скорее, нежелательная) концентрация энергии все-таки может быть достигнута, и если Вселенная метастабильна, то она будет уничтожена. В качестве последнего, недостающего фрагмента мозаики им предстояло определить, каковы шансы, что столь редкое и исключительное событие уже происходило на протяжении истории Вселенной? Хотя частицы космических лучей постоянно сталкиваются с медленно движущимися частицами (например, при входе в земную атмосферу), вероятность, что одна «космолучевая» частица столкнется с другой такой же, очень мала. Тем не менее Вселенная возникла не вчера, и за время ее жизни подобные столкновения вполне могли бы и произойти. В итоге Рис и Хат выяснили, что за последние 13 миллиардов лет столкновения двух частиц космических лучей, сопровождавшиеся чрезвычайно мощным всплеском энергии, происходили около 100 000 раз, то есть каждые 130 000 лет. Вывод из всего этого можно сделать только один, и весьма убедительный: на самом деле Вселенная стабильна, следовательно, нет никакой угрозы, что какая бы то ни было концентрация энергии, возникшая в ходе работы коллайдера или при каких-то иных обстоятельствах, запустит процесс немедленного уничтожения Вселенной.

Мог ли разум породить Вселенную?

Не правда ли, этот вопрос звучит довольно странно, но за ним стоит сложная цепочка рассуждений ряда ученых, пришедших к умозаключению, что Вселенная может существовать только при наличии обладающих самосознанием наблюдателей. А до тех пор, полагают некоторые, это всего лишь математическая абстракция.

Большинство дискуссий ведется вокруг так называемого антропного принципа. Его возникновение больше ста лет назад предугадал видный британский натуралист Альфред Рассел Уоллес (1823–1913): «Человек — этот венец сознательной органической жизни — мог развиться здесь, на Земле, только при наличности всей этой, чудовищно обширной материальной Вселенной, которую мы видим вокруг нас»[12].

Впоследствии ученые узнали, сколь невероятной была та цепь событий, которая привела к зарождению жизни и, наконец, к появлению человека — единственного существа, способного рассуждать о своем собственном происхождении. Исследователи указывают на тот факт, что некоторые физические характеристики Вселенной обретают смысл и ценность только при условии, что в этой самой Вселенной изначально подразумевалось возникновение разумных живых существ. Возраст Вселенной, темпы ее расширения, количество электронов и протонов и даже, казалось бы, такая неизбежная данность, как количество измерений: три пространственных и одно временное, — все говорит о том, что человек просто обязан был появиться. Однако каким бы невероятным ни казалось такое стечение обстоятельств, невероятность эта довольно шаткая. Порой она напоминает высказывания типа: «Какова вероятность того, что сегодня ровно в 11.03 зазвонит телефон и агент по продаже стеклопакетов с инициалами А. Н. попытается всучить мне стеклопакеты по цене 3500 фунтов?» Вообще-то, если вы задаете этот вопрос до описанного события и без всяких к тому предпосылок, вероятность крайне невелика. Но если вы спросите об этом постфактум, тут все просто: событие уже произошло, так что вероятность стопроцентная.