[Перевод] Почему законы физики никогда полностью не объяснят Вселенную
Космос лучше представлять себе как живой организм, а не как машину
Автор оригинала — профессор Эндрю Понтцен, автор книги «Вселенная в коробке: Новая космическая история» [The Universe in a Box: A New Cosmic History]
Трудно смириться с огромными масштабами космоса: существуют сотни миллиардов звёзд в нашей галактике и, как минимум, триллионы галактик во Вселенной. Но для космолога есть нечто ещё более интригующее, чем сами умопомрачительные цифры, — это вопрос о том, как все эти звёзды и галактики появились за 13,8 млрд. лет. Это самое настоящее доисторическое приключение. Жизнь не может развиваться без планеты, планеты не образуются без звёзд, звёзды должны быть заключены в галактики, а галактики не могли бы существовать без богатой структуры Вселенной, поддерживающей их. История наших истоков написана в небе, а мы только учимся её читать.
Когда-то казалось, что при всей своей необъятности космос можно понять с помощью небольшого числа строгих физических законов. Ньютон воплотил эту идею в жизнь, показав, что падающие с деревьев яблоки и орбиты планет вокруг нашего Солнца обусловлены действием одной и той же силы — гравитации. Подобная радикальная унификация земных и небесных явлений сохранилась и в современном учении: предполагается, что все бесчисленные молекулы, атомы и субатомные частицы во Вселенной подчиняются одному и тому же набору законов. Большинство фактов свидетельствует о том, что это предположение справедливо, и из этого следует, что совершенствование нашего понимания этих законов позволит разрешить все оставшиеся вопросы о космической истории.
Однако это логическое заблуждение. Даже если представить, что человечество в конце концов откроет «Теорию всего», охватывающую все отдельные частицы и силы, объяснительная ценность этой теории для Вселенной в целом, скорее всего, окажется незначительной. В течение XX века, даже когда физика частиц раскрыла секреты атомов, стало ясно, что поведение природы на макроуровне невозможно понять через изучение отдельных объектов.
В качестве примера можно привести социальных насекомых на Земле. Например, армейские муравьи собираются в рои, чтобы найти колонии более мелкой добычи, которую они затем пожирают. Во время роения они совершают необычайные подвиги, используя своё тело для выравнивания рельефа и даже для строительства мостов на неровной поверхности.
На взгляд человека, коллективное поведение муравьёв может навести на мысль, что в гнезде есть руководитель, который разрабатывает стратегию, позволяющую эффективно добраться до добычи, но такого руководителя нет. Есть только одинокие муравьи, которые следуют простым и неизменным правилам, например, присоединяются к муравьиному мосту, если за ними толкается много особей, и покидают его, если никто не переползает. Видимая сложность возникает из-за огромного количества особей, выполняющих эти правила. Как сказал физик Филипп В. Андерсон: «Большее подчиняется другим правилам».
Солнечная система, кажущаяся воплощением предсказуемости часового механизма, по этой причине имеет неопределённое долгосрочное будущее. В отдельности одна планета вокруг одной звезды могла бы вращаться бесконечно долго, но в действительности планет несколько, и каждая из них, хотя и очень тонко, подталкивает другую. Со временем серия крошечных толчков может привести к серьёзным последствиям, для предсказания которых требуется огромное количество расчётов.
В определённой степени эту задачу могут решить компьютеры, моделируя общий результат путём сложения отдельных влияний с помощью быстрой и надёжной арифметики. Проблема заключается в том, что симуляции не согласуются друг с другом. Одни предсказывают, что Солнечная система стабильна, несмотря на постоянные подталкивания, другие предполагают, что через несколько миллиардов лет Меркурий под воздействием этих сил может выйти на курс столкновения с Венерой или даже вылететь в за пределы системы.
Модели Солнечной системы расходятся в предсказаниях, поскольку ни один расчёт не может в полной мере учесть все влияния, и даже малейшие разногласия по поводу отдельных моментов приводят в конечном итоге к совершенно иному результату. Это пример такого явления, как хаос, и это одновременно интересует и беспокоит учёных. Интересует, потому что становится ясно, что планетарные системы могут демонстрировать гораздо более богатое поведение, чем можно предположить, исходя из холодного и безжизненного закона гравитации. Беспокоит, потому что если даже Солнечная система хаотична и непредсказуема, то возникают опасения, что попытка понять и описать всю Вселенную обречена на провал.
Возьмём галактики, которые в среднем в десятки миллионов раз превосходят Солнечную систему по размерам и отличаются богатым разнообразием форм, цветов и размеров. Для того чтобы понять, как галактики оказались столь разнообразными, необходимо, как минимум, знать, как и где в них образовались звёзды. Однако звёздообразование — это хаотический процесс, в котором диффузные облака водорода и гелия медленно конденсируются под действием гравитации, и ни один компьютер не в состоянии уследить за всеми необходимыми атомами (только в нашем Солнце их около 1057). Даже если бы вычисления были осуществимы, хаос экспоненциально увеличил бы малейшие неопределённости, не позволяя нам получить окончательный ответ. Если мы строго придерживаемся традиционных законов физики в качестве объяснения галактик, то это конец пути.
Чтобы «поместиться» в компьютер, моделирование формирования галактики должно объединить огромное количество молекул, описать, как все они движутся, толкают друг друга, переносят энергию, реагируют на свет и излучение и т.д., и всё это без явных ссылок на бесчисленное множество отдельных объектов внутри. Это требует от нас творческого подхода, поиска способов описания сущности множества различных процессов, допускающих различные варианты развития событий, не зацикливаясь на деталях, которые в любом случае непознаваемы. Наши модели неизбежно опираются на экстраполяции, компромиссы и просто спекуляции, разработанные экспертами. Неопределённые детали охватывают не только звёзды, но и чёрные дыры, магнитные поля, космические лучи, а также ещё не понятые «тёмную материю» и «тёмную энергию», которые, по-видимому, определяют общую структуру Вселенной.
Но это никогда не приведёт к созданию буквальной цифровой копии Вселенной, в которой мы живём. Такое воссоздание так же невозможно, как и точный прогноз будущего Солнечной системы. Но моделирование, основанное даже на вольных описаниях и предположениях, может служить ориентиром, подсказывая, как галактики могли эволюционировать с течением времени, позволяя интерпретировать результаты, полученные с помощью всё более совершённых телескопов, и подсказывая нам, как узнать больше.
В конечном счёте, галактики меньше похожи на машины, а больше — на животных: они малопонятны, интересны для изучения, но предсказуемы лишь отчасти. Принятие этого факта требует изменения перспективы, но это обогащает наше видение Вселенной.
