Роман Бланк – Вселенная Матрёшка (страница 1)
Роман Бланк
Вселенная Матрёшка
Пролог: Вселенная-Матрёшка
Вы держите в руках матрёшку. Уверен, вы знаете, как с ней обращаться. Берёте увесистую, тёплую, ярко расписанную фигурку, находите почти невидимый шов, аккуратно поворачиваете верхнюю половину относительно нижней. Раздаётся лёгкий, сухой щелчок – и мир расходится по шву.
Внутри, столь же яркая, но чуть меньше, сидит её точная копия. Вы проделываете то же самое. И снова. И ещё раз. Пока в ваших ладонях не останется самая маленькая, цельная, уже неразборная сестричка. Вы выстраиваете их всех в ряд – целое семейство, где каждая последующая одновременно и есть, и не есть предыдущая.
Это простая детская забава. Но именно в этой простоте скрыта одна из самых глубоких и всеобъемлющих метафор для описания Устройства Всего.
Жизнь, разум, Вселенная – это матрёшка.
Что делает эту метафору достаточно точной?
Во-первых, иерархичность. Матрёшка – это не хаос разрозненных предметов. Это стройная система вложенности, где каждый уровень подчиняется законам своего масштаба, но при этом является неотъемлемой частью уровня большего. Кварки собираются в протоны, те – в атомы, атомы – в молекулы, молекулы – в белки, белки – в клетки, и так далее, вплоть до галактических сверхскоплений. Ни один уровень не существует сам по себе. Он всегда часть чего-то большего и всегда содержит в себе что-то меньшее.
Во-вторых, единство и разнообразие. Все матрёшки в наборе сделаны из одного и того же куска дерева. Их объединяет общая материальная основа. Но каждая расписана уникальным образом. Так и всё во Вселенной – от туманности в созвездии Ориона до нейрона в вашем мозгу – состоит из одних и тех же элементарных частиц, подчиняется одним и тем же фундаментальным физическим законам. Но на каждом новом уровне сложности рождаются новые, эмерджентные свойства, которых не было на предыдущем. Законы химии не отменяют законы физики, но и не сводятся к ним. Законы биологии не сводятся к химии. Сознание не сводится к простой сумме нервных импульсов. Жизнь – это искусство складывания простого в сложное.
В-третьих, путь познания. Процесс открывания матрёшки – это и есть научный и экзистенциальный метод познания. Мы видим внешнюю, самую большую оболочку – видимый мир, явления. Наша задача – аккуратно, не сломав, открывать её, спускаясь всё глубже и глубже к сути вещей. Иногда, добравшись до самой маленькой фигурки, мы понимаем, что именно она и была ключом к пониманию всей конструкции. Как открытие структуры ДНК стало ключом к пониманию жизни.
В-четвёртых, рекурсия. Матрёшка – это образ, который содержит в самом себе образ самого себя. Мы, люди, – матрёшка, состоящая из атомов и клеток, которая силой своего сознания пытается построить модель всей остальной матрёшки – Вселенной. Мы – часть системы, которая пытается себя же и осознать.
Эта книга – попытка аккуратно, слой за слоем, открыть Великую Матрёшку. Наше путешествие начнётся там, где заканчиваются сами понятия пространства и времени, в невообразимо малом мире квантовой пены. Мы будем подниматься через рождение атомов, молекулы жизни, хрупкую сложность клетки, через лабиринты сознания и колоссальные конструкции человеческой культуры.
Мы выйдем за пределы нашего тела, нашего вида, нашей планеты, чтобы увидеть наше место в звёздных островах-галактиках, и упрёмся взглядом в границу видимой Вселенной. Затем посмотрим, что говорят современные физики о том, что может находиться за её пределами.
На каждом уровне мы будем задавать себе одни и те же вопросы: Что это за слой? Какими законами он управляется? Как он связан с предыдущим и последующим? И, главное, где в этой колоссальной иерархии находимся мы?
Готовы? Сделайте первый щелчок.
Глава 1. Планковская пыль: щелчок на грани реальности
Представьте, что вы можете уменьшаться. Вы прошли сквозь кожу, сквозь клетки, сквозь митохондрии и молекулы ДНК. Вы видели, как танцуют атомы, как протоны и нейтроны собираются в ядра, словно пчелы в улье. Вы миновали уровень кварков – тех невидимых кирпичиков, из которых сложено всё вещество. И вот вы плывете дальше, в пустоту, к основанию мироздания.
Но в какой-то момент ваш мысленный эксперимент терпит крах. Дальше – нельзя. Не потому, что не хватает мощностей микроскопа, а потому, что сами понятия «дальше», «глубже» и «меньше» теряют всякий смысл. Вы уперлись в фундаментальный предел самой реальности. Вы достигли Планковской длины.
Это число. Оно выглядит скромно: 1,616255 × 10–35 метров. Но за этой сухой математической записью скрывается дверь в иной мир.
Что это такое?
Чтобы понять, мы должны сделать шаг назад и познакомиться с человеком, который подарил нам эту границу. Макс Планк, отец квантовой теории, в начале XX века совершил революцию: он предположил, что энергия излучается не непрерывно, а крошечными, дискретными порциями – квантами. Позже, работая с фундаментальными константами – скоростью света (c), гравитационной постоянной (G) и своей собственной постоянной (ħ) – он вывел набор единиц, которые были естественными, «божественными» единицами измерения для Вселенной. Единицы, где эти константы равнялись бы единице. Так появились Планковские единицы: время, масса, энергия и, самая известная из них, длина.
Представьте, что Вселенная – это цифровое изображение на экране. Планковская длина – это размер одного пикселя этого изображения. Вы не можете увидеть половину пикселя. Он неделим. Так и пространство-время, согласно современным теориям квантовой гравитации, на этих масштабах перестает быть гладким и непрерывным. Оно становится зернистым, пенистым, бурлящим – термин, который любят использовать физики, – квантовой пеной.
Что происходит в этой пене?
Здесь царят законы, которые наше сознание, сформированное в макромире, не в силах представить. Здесь стирается грань между материей и энергией, между частицей и волной, между существованием и несуществованием. Виртуальные частицы рождаются из ничего и исчезают, нарушая закон сохранения энергии, но делая это так быстро, что сама Вселенная не успевает возмутиться. Это кипящий, хаотичный котёл, из которого при определенных условиях рождаются самые стабильные «матрёшки» – те самые кварки и электроны.
Гравитация здесь выходит на первый план. На масштабах в квинтилионные доли метра ее сила сравнивается с другими фундаментальными взаимодействиями. Именно здесь Общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию как искривление гладкого пространства-времени, встречается лицом к лицу с квантовой механикой, описывающей дискретный и вероятностный мир. И они не могут найти общего языка. Их столкновение – величайшая нерешенная проблема современной физики.
Почему мы не можем заглянуть дальше?
Наш главный инструмент для изучения маленького – и так уже большой. Чтобы увидеть детали, нам нужны частицы с огромной энергией (фотоны, электроны), которые мы разгоняем в коллайдерах. Но чтобы «увидеть» объект размером с Планковскую длину, нам потребовался бы коллайдер размером с галактику. И здесь нас ждет второй, еще более поразительный парадокс.
Если бы мы смогли собрать необходимое количество энергии в объеме Планковской длины, эта энергия сколлапсировала бы в черную дыру. Черная дыра сформировала бы горизонт событий, который навсегда скрыл бы от нас процессы, происходящие внутри. Природа, кажется, ставит фундаментальный барьер для нашего любопытства. Она говорит: «Дальше – не ваша территория. Здесь заканчивается физика в вашем понимании и начинается нечто иное».
Так что же там? За границей?
Мы не знаем. У нас есть гипотезы, прекрасные и безумные.
• Теория струн предполагает, что в этой пене вибрируют одномерные струны, а их режимы колебаний и есть все известные нам частицы.
• Петлевая квантовая гравитация говорит о том, что пространство-время состоит из дискретных, квантованных ячеек, связанных в сеть.
• Другие предполагают существование дополнительных измерений, свернутых в этих масштабах.
Но пока это лишь математические конструкции. Планковская длина – это берег океана, за которым лежит Terra Incognita. Мы стоим на этом берегу и можем лишь строить догадки о том, что скрывает туман.
Эта самая маленькая, неразборная матрёшка – не конец пути. Это его начало. Это фундамент, на котором стоит всё. Это тот щелчок, который разъединяет известную нам физику и физику будущего. Он напоминает, что наше путешествие вглубь мироздания – это не плавное погружение, а серия революционных открытий, каждое из которых переворачивает наше представление о реальности с ног на голову.
Мы сделали первый, самый трудный щелчок. Дальше – проще. Дальше из этой квантовой пены начинают собираться первые устойчивые формы. Следующая матрёшка уже ждет нас.
И она называется кварк.
Глава 2. Кварки: невидимая стройбригада Вселенной
Мы стоим на берегу квантовой пены, где само пространство кипит и пенится. Из этого хаоса, словно первые устойчивые кристаллы из перенасыщенного раствора, должны родиться первые частицы материи. Но что это за процесс? Как из невыразимой пены рождается нечто, обладающее свойствами?
Ответ на этот вопрос – и есть величайшая стройка во Вселенной. А её главные прорабы и рабочие – кварки.