# Джерайнт Льюис о Большом взрыве, теории струн и циклическом перерождении космоса Источник: https://www.youtube.com/watch?v=5BnljyQ1sak Канал: Event Horizon Опубликовано: 09.12.2021 --- В интервью научно-популярному проекту Event Horizon профессор астрофизики Сиднейского института астрономии Джерайнт Льюис (Geraint F. Lewis) подробно разбирает ключевые космологические концепции, стоящие на границе современного научного знания. В беседе с ведущим Джоном Майклом Годье ученый объясняет, почему привычная нам Вселенная столь идеально приспособлена для формирования сложных структур, и как физики пытаются преодолеть глубокий кризис в фундаментальной теории. Анализируя природу времени, гравитации и темной энергии, исследователь описывает гипотетические сценарии — от мультивселенной и компьютерной симуляции до циклического перерождения мироздания. ## 🌌 Мультивселенная и антропный принцип: лотерея космической сложности [[JUMP:02:10]] Идея параллельных вселенных давно вышла за рамки чистой научной фантастики, однако в современной космологии она по-прежнему занимает промежуточное положение между строгой наукой и спекуляциями. Профессор Джерайнт Льюис подчеркивает, что под термином «мультивселенная» ученые могут понимать принципиально разные концепции. Первый вариант предполагает существование единой, но бесконечной по протяженности Вселенной, разделенной на области, которые никогда не будут иметь причинно-следственной связи друг с другом из-за ограничений скорости света. В таких изолированных регионах законы физики могут кардинально отличаться. Второй, более глубокий уровень — это ансамбль совершенно независимых физических структур. Главная проблема концепции мультивселенной заключается в ее проверяемости. Пока у физиков нет надежного математического аппарата, способного описать взаимодействие между изолированными мирами, любые выводы остаются гипотетическими. Тем не менее, как отмечает Льюис, в научном сообществе существуют попытки найти экспериментальные подтверждения: например, некоторые исследователи заявляли об обнаружении специфических паттернов в реликтовом излучении, которые могли бы свидетельствовать о столкновении нашей Вселенной с другим миром в далеком прошлом. Впрочем, сам профессор относится к подобным интерпретациям скептически, списывая их на склонность человека видеть закономерности в случайном шуме. Обсуждение мультивселенной неизбежно выводит ученых на антропный принцип. Традиционно его связывают с фактом зарождения человека, однако Джерайнт Льюис предлагает сместить фокус на понятие «сложности». Наша Вселенная содержит 92 природных химических элемента, которые служат строительными блоками для молекул. Само существование таблицы Менделеева — это результат тончайшего баланса между фундаментальными силами природы: * Сильное ядерное взаимодействие удерживает атомные ядра вместе, преодолевая электромагнитное отталкивание. * Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны на орбитах и заставляет молекулы взаимодействовать. * Слабое ядерное взаимодействие отвечает за радиоактивный распад и термоядерные процессы в недрах звезд. Если незначительно изменить параметры любой из этих сил, химическая сложность мгновенно разрушится. Профессор приводит наглядную аналогию: в гипотетической вселенной, где преобладает только гелий, формирование сложных молекул невозможно, а значит, там нет никаких условий для появления жизни. С точки зрения Льюиса, наиболее научным объяснением этой «тонкой настройки» является допущение, что существует некий фундаментальный механизм, непрерывно генерирующий вселенные. При рождении каждый мир получает свой случайный штамп с набором физических констант. Наша Вселенная просто «выиграла в лотерею», получив редкую комбинацию параметров, сделавшую возможной эволюцию материи. ## 🏛️ Два столпа физики: кризис на стыке теории относительности и квантовой механики [[JUMP:09:50]] Главная причина, почему наука до сих пор не может точно ответить на вопрос о происхождении Большого взрыва, кроется во внутреннем противоречии самого математического фундамента физики. Современное описание мира покоится на двух фундаментальных теориях, которые используют совершенно разную математику и отказываются работать вместе. С одной стороны, это общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна — классическая теория гравитации, описывающая пространство-время как непрерывную ткань, способную изгибаться под воздействием массы. С другой стороны — квантовая механика, описывающая микромир на языке probabilities (вероятностей) и обмена дискретными частицами-переносчиками для трех остальных сил: электромагнетизма, слабого и сильного взаимодействий. Обе теории невероятно успешны в своих масштабах: квантовые расчеты подтверждаются экспериментами с точностью до 11 знаков после запятой, а предсказания ОТО, включая существование гравитационных волн, открытых в 2016 году, раз за разом доказывают свою безупречность. Проблема возникает, когда ученые пытаются «открутить космические часы назад» к моменту зарождения Вселенной. В экстремально горячей и плотной ранней Вселенной гравитация и квантовые силы начинают соперничать за доминирование в одних и тех же масштабах, и математические уравнения физиков просто теряют смысл. Чтобы преодолеть этот тупик, физикам необходима теория квантовой гравитации или так называемая Теория Всего (Grand Unified Theory), способная объединить все четыре взаимодействия в единый математический каркас. Только тогда, по мнению Льюиса, откроется дверь к пониманию истинной природы Большого взрыва — был ли это переход из абсолютного «ничего», как считает Лоуренс Краусс, или же наша Вселенная отпочковалась от какой-то более древней структуры пространства-времени. Профессор подчеркивает, что ученые мечтают о «новой физике» и обнаружении аномалий, которые указали бы верное направление для расширения существующих уравнений. Важнейшими подсказками здесь служат две неразгаданные загадки стандартной космологической модели: * Темная материя, природа которой до сих пор не объяснена физикой частиц. * Темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться с ускорением, но не имеющая четкого места в фундаментальных теориях. Джерайнт Льюис проводит историческую параллель с классической механикой Исаака Ньютона. Физика Ньютона до сих пор отлично справляется с запуском космических ракет, но на рубеже веков ученые начали замечать крошечные отклонения в наблюдениях. Именно внутри этих едва заметных расхождений скрывалась общая теория относительности, перевернувшая наши представления о космосе. Точно так же современные расхождения между ОТО и квантовой механикой в мире сверхмалых масштабов указывают на существование скрытого пласта физических законов. ## 🔮 Пятая сила природы и 40 лет поисков струнной теории [[JUMP:22:02]] Одним из самых интригующих направлений в современной физике Льюис называет поиски гипотетической пятой силы природы, намеки на которую были получены в ходе экспериментов по измерению гиромагнитного отношения мюона — тяжелого аналога электрона. На данном этапе эта потенциальная сила ведет себя как «призрачное взаимодействие». Ученые видят не саму силу в действии (как в случае с магнетизмом), а лишь ее едва уловимое влияние на спин субатомных частиц. Если ее существование будет доказано, перед теоретиками встанет вопрос: впишется ли она в стандартный квантовомеханический базис, или же обнажит принципиально новые свойства пространства-времени, связанные с гравитацией? Проблема интеграции гравитации в общую систему остается критической. Если электромагнитное и слабое взаимодействия физикам удалось успешно объединить в рамках единой теории электрослабого взаимодействия, то гравитация упорно держится особняком. Существуют альтернативные теоретические модели, согласно которым гравитация вообще не является классической силой. По словам Льюиса, некоторые исследователи предполагают, что ее кажущаяся слабость обусловлена тем, что она «просачивается» в наш трехмерный мир из других, скрытых пространственных измерений мультивселенной, где она на самом деле сильна, но в наших масштабах оказывается сильно разбавленной. Экспериментальная проверка таких гипотез чрезвычайно затруднена. Ученые пытаются измерить ускорение свободных нейтронов на сверхмалых расстояниях, чтобы зафиксировать возможные отклонения от уравнений Эйнштейна, однако на этих масштабах начинают доминировать квантовые эффекты. Любые посторонние факторы — от случайных фотонов до магнитных полей — искажают результаты, делая эксперимент ювелирно сложным. Говоря о попытках математического объединения ОТО и квантового мира, профессор делится личными воспоминаниями: > «Я начал свое обучение в бакалавриате в 1987 году в Лондонском университете, и одним из моих наставников был Майкл Грин — человек, который считается одним из отцов теории струн. Нам тогда говорили, что буквально с минуты на минуту теория струн решит абсолютно все проблемы. И вот мы сидим здесь, спустя почти 40 лет, и кажется, что мы не так уж далеко продвинились». Сегодня теория струн трансформировалась в комплексную математическую надстройку, известную как М-теория, причем сами физики в шутку признают, что никто до конца не знает, что именно означает буква «М». М-теория представляет собой не единую концепцию, а скорее мозаику из различных математических подходов. Главная трагедия этой красивой математической конструкции заключается в том, что энергии, необходимые для экспериментального обнаружения струн или многомерных мембран (бран), лежат далеко за пределами технических возможностей человечества. Единственной надеждой ученых остается прецизионная космология ранней Вселенной: если М-теория верна, ее отпечатки могли остаться в динамике Большого взрыва или в микроволновом эхо. Из этой же концепции рождается гипотеза «бранной космологии», в которой Большой взрыв рассматривается как результат периодического столкновения многомерных мембран, парящих в высших измерениях, подобно сохнущим на ветру простыням. ## ⏳ Время как четырехмерная карта и загадка стрелы энтропии [[JUMP:33:56]] Феномен времени — еще одна область, где физические теории вступают в жесткое противоречие с человеческим восприятием. Как утверждает Льюис, большинство физиков предпочитают избегать рассуждений о сути времени, оставляя этот вопрос философам. Если полностью довериться уравнениям общей теории относительности Эйнштейна, то мы неизбежно придем к концепции «блочной Вселенной». В этой жесткой четырехмерной структуре прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно. Будущее уже детально прорисовано на космической карте, а человеческое сознание лишь последовательно прокладывает свой маршрут вдоль так называемой «мировой линии». Концепция блочной Вселенной фактически уничтожает понятие свободы воли, превращая нас в заложников уже написанного сценария. В качестве альтернативы физики вроде Карло Ровелли предлагают квантовый взгляд на время, где оно не непрерывно, а рождается из дискретных квантовых «зерен» и семян, непрерывно формируя ткань будущего. Пытаясь математически расширить уравнения и добавить в них дополнительные измерения времени, ученые сталкиваются с парадоксом. Исследования Макса Тегмарка, проведенные более 20 лет назад, показали, что в гипотетической вселенной с двумя измерениями времени физика полностью теряет свою предсказательную силу, превращая космос в хаотичный и непредсказуемый объект. Наш мир обладает ровно одним временным измерением, что вновь возвращает нас к загадке тонкой настройки. Огромную проблему для науки представляет природа «стрелы времени». Практически все фундаментальные законы физики абсолютно симметричны во времени — уравнения одинаково успешно работают как вперед, так и назад. Математически ничто не мешает человеку сделать выбор в пользу движения из будущего в прошлое, наблюдая за обратным распадом материи. Однако в реальности макромира время всегда направлено строго в одну сторону, что описывается вторым законом термодинамики и неуклонным ростом энтропии (беспорядка). По мнению Льюиса, эта асимметрия обусловлена уникальными начальными условиями Большого взрыва. Наша Вселенная родилась в исключительно редком состоянии с экстремально низкой энтропией. Вещество было распределено удивительно просто и однородно: * Простая структура газа (в основном водород и гелий) позволила звездам запуститься и начать синтезировать более сложные элементы. * Идеально гладкое распределение материи позволило силам гравитации запустить процессы коллапса, высвобождая огромную энергию и формируя галактики. Выдающийся физик Роджер Пенроуз попытался рассчитать математическую вероятность того, что Вселенная могла чисто случайно зародиться в столь низкоэнтропийном состоянии. Полученное им число — 10 в степени 10 в колоссальной степени — указывает на то, что вероятность такого события по воле случая практически равна нулю. Более того, тончайшая настройка прослеживается в квантовых флуктуациях плотности, возникших в эпоху космической инфляции (приблизительно на $10^{-35}$ секунды после Большого взрыва). Эти крошечные температурные неоднородности, зафиксированные на карте реликтового излучения, составляют всего одну стотысячную долю ($1:10^5$). Если бы инфляционные флуктуации были чуть более сглаженными, материя никогда бы не смогла собраться в скопления, и космос навсегда остался бы разреженным газом. Будь они хотя бы немного сильнее, гравитационный коллапс произошел бы мгновенно, превратив новорожденную Вселенную в колонию гигантских черных дыр, полностью непригодных для жизни. ## 🖥️ От гипотезы симуляции к финалу Вселенной: тепловая смерть или вечное возрождение? [[JUMP:47:07]] Если отказаться от идеи мультивселенной и остаться в рамках модели единственного мира, то антропный принцип и идеальная точность космических констант начинают выглядеть пугающе мистически. Это заставляет ученых серьезно рассматривать гипотезу симуляции. Джерайнт Льюис признается, что ему импонирует эта концепция, тем более что моделирование синтетических вселенных на суперкомпьютерах — это часть его повседневной научной работы со студентами. Профессор предполагает, что если человечество когда-нибудь сможет заложить основы искусственного сознания в свои цифровые модели, то почему бы нашему миру не быть чьим-то масштабным экспериментом? При этом мотивы Высшего Программиста могут быть лишены антропоцентризма: возможно, нас запустили просто ради изучения экзотических параметров физики, а человечество — лишь случайный побочный продукт в коде, вычисляющем количество карликовых звезд. Что касается далекого будущего нашего космоса, то текущие наблюдения показывают, что Вселенная на 70% состоит из темной энергии и на 30% — из материи (преимущественно темной). Опираясь на эти цифры, физики могут спрогнозировать хронологию угасания мироздания: 1. Примерно через 100 триллионов ($10^{14}$) лет иссякнут запасы звездного топлива, и последние звезды во Вселенной окончательно погаснут. 2. Около $10^{40}$ лет потребуется для того, чтобы (при условии нестабильности протона) обычное вещество полностью «растаяло» в пространстве. 3. В районе $10^{100}$ лет, если верна теория Стивена Хокинга, завершится процесс испарения даже самых массивных черных дыр за счет квантового излучения. После этого Вселенная превратится в бесконечно расширяющийся, холодный и абсолютно пустой океан, населенный лишь редкими электронами, позитронами и фотонами. Этот сценарий называют «тепловой смертью». Тем не менее, Джерайнт Льюис оставляет место для космологического оптимизма. Существует вероятность, что на колоссальных временных отрезках темная энергия способна менять свои свойства. Если ее плотность резко возрастет, Вселенную ждет сценарий Большого разрыва (Big Rip), который быстро уничтожит всю структуру пространства. Но куда более захватывающим выглядит квантовомеханический сценарий. Будучи энергетическим полем, темная энергия подчиняется законам квантовой механики, которые допускают спонтанное изменение энергетических уровней посредством квантового туннелирования. На невообразимых масштабах времени (через $10^{10}$ во многократных степенях лет) поле темной энергии может совершить фазовый переход в более низкое квантовое состояние. Этот скачок спровоцирует колоссальный выброс энергии и запустит новый цикл стремительной космической инфляции. В ходе последующего процесса «перезапуска» (reheating) эта гигантская энергия трансформируется обратно в привычную нам материю и жесткое излучение. Подобный фазовый переход фактически станет триггером для нового Большого взрыва, знаменуя рождение новой обитаемой Вселенной. Профессор Льюис заключает, что наш собственный мир вполне мог возникнуть в результате аналогичного квантового коллапса предыдущей вселенной, обеспечивая бесконечный цикл космического увядания и триумфального возрождения.