Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения - читать онлайн

Глава, которая не число

Это число нагло красовалось на невзрачном листочке бумаги, аккуратно лежавшем на старинном дубовом столе, – ноль. До сих пор я никогда не набирал ноль баллов в тесте по математике, но ошибиться с оценкой было невозможно. Число написали агрессивным красным цветом в начале студенческой работы, которую я сдал около недели назад. Это произошло во время моего первого семестра, когда я изучал математику в Кембриджском университете. Я представил, как призраки великих математиков университета выражают шепотом свое презрение. Я оказался самозванцем. Тогда я еще не понимал, что эта работа станет поворотным моментом. Она изменила мои отношения и с математикой, и с физикой.

Она включала некое математическое доказательство. Доказательства обычно начинаются с предположений, и на их основе вы делаете какой-то логический вывод. Например, если предположить, что Дональд Трамп имеет оранжевый цвет и он был президентом США, то можно сделать вывод, что у США был оранжевый президент[2]. Конечно, моя работа не имела ничего общего с оранжевыми президентами, но в ней содержались математические утверждения, которые я связал с помощью четких последовательных аргументов. Преподаватель согласился, что все аргументы на месте, но все равно поставил мне ноль. Оказалось, ему не понравилось, как я изложил все это на невзрачном листке бумаги.

Я был расстроен. Я выполнил самое трудное в задаче, а его придирка выглядела пустячной. Словно я забил потрясающий гол, а судья сверился с видеопомощником и отменил его из-за крохотного офсайда. Но теперь я знаю, почему он так сделал. Он пытался научить меня строгости, привить ту математическую педантичность, которая становится неотъемлемой частью математического инструментария. С неохотой я стал педантом, но одновременно понял, что от математики мне нужно чуть больше. Она требовалась мне для индивидуальности. Я всегда любил числа, но мне хотелось сделать их наглядными, придать им смысл, и поэтому я понял, что для этого мне нужна физика. Вот о чем эта книга – об индивидуальности чисел, сияющих в физическом мире.

Возьмем в качестве примера число Грэма. Оно настолько велико, что некогда занимало почетное место в Книге рекордов Гиннесса как самое большое число, когда-либо появлявшееся в математическом доказательстве. Оно названо в честь американского математика (и жонглера) Рональда Грэма, который с удивительной педантичностью использовал его в математических целях. Однако число Грэма вызвано к жизни вовсе не этой педантичностью. К жизни (а точнее, к смерти) его вызывает физика. Но если бы вы попытались представить в своей голове число Грэма – его полную запись в десятичной форме, – ваша голова сколлапсировала бы в черную дыру. Никто не знает лекарства от смерти, вызванной превращением головы в черную дыру.

В этой книге я расскажу вам почему.

И это далеко не все. Я отведу вас туда, где вы засомневаетесь в том, что всегда считали правдой. Путешествие начнется с самых больших чисел во Вселенной и поиска понимания так называемой голографической истины. Может, трехмерность пространства всего лишь иллюзия? Не заперты ли мы внутри какой-то голограммы?

Чтобы понять проблему, ткните кулаком в разные стороны (пожалуй, сначала лучше убедиться, что рядом никого нет). Двиньте рукой вперед-назад, влево-вправо, вверх-вниз. Вы можете перемещать руку в трех измерениях – перпендикулярных направлениях. Но можете ли? Голографическая истина утверждает, что одно из этих измерений – обман. Словно мир – какой-то 3D-фильм: реальные изображения зафиксированы на двухмерном экране, а трехмерный мир внезапно возникает, когда зрители надевают специальные очки. В первой половине этой книги я объясню, что в физике такие 3D-очки создает гравитация. Именно она порождает иллюзию третьего измерения.

Только дойдя до края и выжав из гравитации все возможное, мы осознаем ее волшебство. Но тогда это книга крайностей. Наш поход к пониманию голографической истины неизбежно начинается с Альберта Эйнштейна, его гения, странного блеска теории относительности и структуры пространства и времени. Конечно, у меня есть особое число для его гениальности: 1,000000000000000858. Да, я называю его большим числом. Предвижу ваш скепсис, но надеюсь убедить вас в том, что это огромное число (по крайней мере, если вы размышляете о физике, которую оно представляет) – способность одного человека справляться со временем. Чтобы действительно понять почему, нам нужно будет побегать вместе с легендарным ямайским спринтером Усэйном Болтом. Нам придется погрузиться в глубины Тихого океана, в самую глубокую часть Марианского желоба. Мы отправимся на передний край физики, танцуя в опасной близости от чудовищной черной дыры, жадно пожирающей звезды и планеты в центре далекой галактики.

Однако теория относительности и черные дыры – только начало. Чтобы отыскать голографическую истину[3], нам нужны еще четыре левиафана – настоящих числовых исполина, которые возникают при столкновении с физическим миром. Кажется, эти титанические числа – от гугола до гуголплекса, от числа Грэма до TREE(3) – сломают физику. Однако на деле они станут направлять наше понимание. Они объяснят нам смысл часто неправильно трактуемой энтропии, которая описывает бурную физику тайны и беспорядка. Они познакомят нас с квантовой механикой, владычицей микромира, где нет ничего определенного и все становится игрой случая. Вас ждут рассказы о двойниках в далеких мирах и предупреждения о мировой перезагрузке, когда все в нашей Вселенной неизбежно вернется к тому, что уже когда-то было.

Я дитя голографической истины. Эта идея возникла примерно в то время, когда я получил нулевую оценку за курсовую работу, хотя мне об истине ничего не было известно. Примерно пять лет спустя я начал писать диссертацию, и к тому моменту она стала самой важной идеей, появившейся в фундаментальной физике почти за полвека. О ней, казалось, говорили все физики. И говорят до сих пор. Ученые задают глубокие и важные вопросы о черных дырах и квантовой теории гравитации и находят ответы в голографической истине.

Было еще кое-что, о чем все говорили тогда, когда мы готовились вступить в новое тысячелетие: тайна нашей превосходно настроенной и непредсказуемой Вселенной. Видите ли, она просто не должна существовать. Вселенная, которая позволила нам жить, дала шанс выжить несмотря ни на что. Именно туда мы отправимся во второй части этой книги, и поведут нас не левиафаны, а смутьяны – маленькие числа.

Маленькие цифры выдают неожиданное. Чтобы понять это, представьте, что я выиграл шоу X Factor[4]. Не могу не отметить, что это было бы очень неожиданно, ведь я пою ужасно – настолько, что в школьном мюзикле учителя попросили меня держаться подальше от микрофонов. С учетом вышесказанного я бы оценил вероятность своей победы в национальном конкурсе певцов примерно так:

Это очень небольшое число, и моя победа была бы весьма неожиданной.

Наша Вселенная еще более неожиданна. Руководствуясь маленькими числами, мы станем исследовать этот мир. Числа не будут меньше нуля – того уродливого числа, которое заклеймило презрением мою студенческую работу. Неприязнь, которую я испытал к ней в тот день, повторялась на протяжении всей истории. Из всех чисел ноль был самым неожиданным и самым пугающим, поскольку отождествлялся с пустотой, отсутствием Бога и самим злом.

Однако ноль не зол и не уродлив; на самом деле он – самое красивое число. Чтобы понять его красоту, мы должны осознать изящество физического мира. Для физика самое важное свойство нуля – его симметрия при смене знака: минус ноль – ровно то же, что и плюс ноль. Это единственное число с таким свойством. В природе симметрия – ключ к пониманию того, почему вещи исчезают, почему приравниваются к этому загадочному нулю.

Все начинает запутываться, когда мы сталкиваемся с маленькими, но ненулевыми числами, поскольку они отражают абсурдность кажущегося устройства Вселенной, а также наши попытки разобраться в этом. Мы расскажем эту историю через два настораживающе маленьких числа, одно из которых раскрывает тайны микромира, а другое – тайны космоса. С помощью тревожно малой величины 0,0000000000000001 мы входим в субатомный мир физики элементарных частиц: глюоны, мюоны, электроны и тау-лептоны, танцующие в случайном энтузиазме. Здесь мы встретимся с бозоном Хиггса – так называемой частицей Бога, – связывающим их воедино. Бозон Хиггса с помпой открыли летом 2012 года. Открытие провозгласили триумфом теории и эксперимента, положившим конец почти пятидесятилетнему ожиданию подтверждения существования этой частицы. Но фанфары скрывали тайну: что-то не совсем складывалось. Оказывается, бозон Хиггса чересчур легкий, его масса составляет 0,0000000000000001 от той, что должна быть. Это очень маленькое число. Оно говорит нам о том, что микромир, таящийся внутри вас и вокруг вас, действительно очень неожидан.

Когда мы доберемся до числа 10^–120, то увидим, что космос еще более неожидан. Мы заметим это в свете далеких звезд, исчезающих во взрыве. Свет тусклее, чем ожидалось, и это заставляет предположить, что звезды дальше, чем мы думали. Это указывает на неожиданную Вселенную, расширение которой ускоряется: пространство между галактиками увеличивается со все возрастающей скоростью.

Большинство физиков подозревает, что Вселенную толкает сам космический вакуум. Это может показаться странным: как может пустое пространство раздвигать галактики? Но на деле пустое пространство не такое уж и пустое, если учесть квантовую механику. Оно наполнено бурлящим бульоном из квантовых частиц, лихорадочно появляющихся и исчезающих. Именно этот бульон давит на Вселенную. Мы можем даже подсчитать, насколько сильно он давит, и вот тогда все начинает идти наперекосяк. Как мы увидим, Вселенная раздвигается только на незначительную величину, на долю того, что мы ожидаем, основываясь на нашем нынешнем понимании фундаментальной физики. Эта доля составляет всего 10^–120 – гораздо меньше единицы, деленной на гугол. Это крошечное число – наиболее захватывающая мера неожиданности нашей Вселенной.

Оказывается, нам невероятно повезло. Если бы Вселенную толкали так сильно, как предполагают наши вычисления, она бы канула в вечность: галактики, звезды и планеты никогда бы не сформировались. Нас с вами не существовало бы. Наша неожиданная Вселенная – дар судьбы, но одновременно и неудобство, ведь мы не можем правильно понять ее. Именно ее загадка доминировала на протяжении всей моей карьеры и продолжает доминировать.

Однако сверх всего этого есть нечто еще более глубокое – даже более глубокое, чем наши поиски голографической истины или понимания нашей неожиданной Вселенной. Чтобы его обнаружить, нам понадобится наше последнее число: то, которое не всегда является числом и в то же время является множеством различных чисел. Оно ставило математиков в тупик на протяжении всей истории, доводя одних до насмешек, а других до безумия, – бесконечность.

Как однажды сказал немецкий математик Давид Гильберт, отец квантовой механики и относительности: «Бесконечность! Ни один вопрос никогда не оказывал столь глубокого воздействия на человеческий дух». Бесконечность станет нашими вратами к Теории всего – теории, которая обосновывает всю физику и когда-нибудь сможет описать создание Вселенной.

Подняться на бесконечную башню – этаж за этажом, к бесконечностям, лежащим за бесконечностями, – осмелился Георг Кантор, изгой немецкой академической науки конца XIX века. Как мы увидим, он разработал язык для множеств (совокупностей тех или иных объектов), что позволило ему методично дотянуться до небес, классифицируя один уровень бесконечности за другим. Конечно, он сошел с ума, сражаясь с числами, которые, кажется, имеют больше общего с божественным миром, чем с физическим. Но как насчет физического мира? Содержит ли он бесконечность? Бесконечна ли Вселенная?

Стремление понять физику в ее самом фундаментальном виде, на уровне наиболее микроскопической чистоты, – это попытка покорить ее самые жестокие бесконечности. Это бесконечности, с которыми мы сталкиваемся в центре черной дыры, в так называемой сингулярности, где пространство и время бесконечно разорваны и искривлены, а гравитационные приливы бесконечно сильны. Это также бесконечности, с которыми мы сталкиваемся в момент появления мира – в момент Большого взрыва. Правда в том, что их еще предстоит покорить и полностью понять, но есть надежда на космическую симфонию – Теорию всего, в которой частицы заменены мельчайшими струнами, вибрирующими в совершенной гармонии. Как мы обнаружим, песня этих струн не просто отзывается в пространстве и времени, она и есть пространство и время.

Большие, маленькие и пугающе бесконечные. Вместе это те самые фантастические числа, обладающие гордостью и индивидуальностью, они привели нас на передний край физики, раскрыв примечательную реальность: голографическую истину, неожиданную Вселенную, Теорию всего.

Думаю, пришло время отыскать эти числа.