В 2018 году одним из лауреатов премии имени Георгия Гамова стал профессор Андрей Линде из Стэнфордского университета, создатель инфляционной модели Вселенной — премией было отмечено именно это достижение ученого. Эта модель предусматривает наличие множественной вселенной, или Мультивселенной, и базируется на квантовой космологии. Собственно, сама теория Линде родилась из его пристального интереса к космологии — науке об эволюции Вселенной, предусматривающей введение временнóй составляющей в физику. Об инфляционной теории, о месте времени в наших представлениях о Вселенной и о квантовой космологии редакция N + 1 поговорила с новым лауреатом премии Гамова.
N + 1: Ваши работы в сфере космологии во многом привнесли в современную физику временную составляющую, заставили говорить об «истории Вселенной». Насколько время связано с вашей моделью множественной Вселенной?
Андрей Линде: Развитие во времени — это часть всех космологических теорий. Если нас интересует только то, что находится в нашей части Вселенной, то для этого все эти хитрости с множественной Вселенной и прочим не очень важны.
Мы живем в одном кусочке, и мы видим один этот кусочек. Если мы хотим понять, как этот кусок возник в контексте всего остального, то здесь простейшая картина такая: мир разбит на куски, имеющие разные свойства. Если по-простому смотреть, как мы и делали, то процесс создания новых кусков исторически продолжает идти, постоянно возникают новые и новые области.
Я не знаю, стопроцентно ли правилен такой язык для описания множественной Вселенной, или это лишь способ наименее болезненным образом соприкоснуться с квантовой космологией.
А в квантовой космологии вопросы надо задавать более хитро. Вот мы с вами говорим об истории нашей Вселенной и возможности других Вселенных. Но если мы как наблюдатели можем отследить только одну историю, — не только каждый из нас, но и человечество в целом, — то в каком смысле существуют все остальные истории?
Это какой-то солипсизм.
Да. С точки зрения нормального человека мир существует и тогда, когда мы его не наблюдаем. Но у человека, который изучал квантовую механику и занимался шрёдингеровской кошкой, тут возникают вопросы.
Знаете этот эксперимент: кошку хотят убить или не убить в зависимости от того, с какой поляризацией придет фотон? Волновая функция кошки после того, как приходит фотон, разбивается на две: кошка либо живая, либо мертвая. А потом приходит экспериментатор, открывает «черный ящик» и видит либо живую кошку, либо мертвую. И в любом случае он получает только один ответ. И он говорит: да, в момент, когда фотон пришел, кошка была убита. В этом смысле после прихода фотона реально существовала только одна из двух возможностей. Стандартно это называется «редукция волновой функции».
Что это значит?
Смотрите. Открыв ящик, вы увидели, каково состояние кошки на этот момент. Это означает, что в процессе того, что там происходило, волновая функция кошки, состоявшая из двух частей, была редуцирована только к одной: кошка жива или кошка мертва. Эта очень популярная, но неполноценная интерпретация. Некоторые люди скажут даже — идиотская или жульническая. А другие скажут: «Да что вы, граждане? Это просто свойство волновой функции!»
Когда мы были студентами, эти очень сложные для восприятия вопросы о сути квантовой механики всерьез не поднимались. Мы овладевали ею, чтобы научиться ее использовать. И если нам это удавалось, то в дальнейшем, применяя квантовую механику, мы уже не делали ошибок.
…Но не понимали, почему не делали ошибок?
Что-то вроде того. Об этом хорошо сказал Джон Стюарт Белл, доказавший теорему Белла, используемую для проверки квантовой механики. Сказал он примерно следующее. Физики, занимающиеся квантовой механикой, похожи на лунатиков. Лунатики ходят по крыше и никогда оттуда не падают. Но если вы окрикните лунатика, который ходит по крыше: «Эй, что ты там делаешь?!», то он немедленно упадет. Лунатики не знают, как у них это получается. Вот и с квантовой механикой — нечто аналогичное.
Но вернемся к кошке. Что не так с редукцией волновой функции?
Дело в том, что мы не знаем, в какой момент она произошла, мы знаем только, каким был результат, когда мы открыли ящик. В связи с этим возникла другая интерпретация квантовой механики: редукция волновой функции происходит, когда вы взаимодействуете с внешней средой. Это хорошо подходит к кошке, но что делать со всей Вселенной, для которой нет внешней среды?
Но есть еще вариант: редукции волновой функции вообще не происходит. Существуют множественные вселенные, и в одной из них у нас кошка живая, в другой кошка мертва, и когда мы проводим эксперимент, мы узнаем, в какой вселенной мы живем. Тогда цель нашего эксперимента — определить уже не состояние кошки, а наше собственное, узнать, где мы находимся.
Или, может быть, мы просто редуцируем наше сознание к сознанию человека, который видит перед собой мертвую или живую кошку. И тогда мы занимаемся квантовой механикой в применении к сознанию. Так это все становится более и более абстрактным.
А если мы изучаем не кошку, а Вселенную?
Зачем вообще применять квантовую механику к Вселенной? Часто думают, что квантовая механика важна только для описания микромира. А Вселенная это макромир, ничего не может быть более макроскопическим, чем Вселенная. Но инфляционная теория говорит, что галактики родились из-за квантовых флуктуаций, которые могут создавать новые части Вселенной. И когда мы через призму квантовой механики рассматриваем окружающий мир, происходят странные вещи.
Например, ты входишь в музей, где стоят скелеты динозавров. И привычно думаешь: а, это те самые динозавры, которые жили здесь сто миллионов лет назад, а потом вымерли. И думаешь дальше: ну, я же не был там, и мои родители тоже не были, и вообще людей тогда еще не было. То есть у нас есть скелеты, но в квантовомеханическом смысле никто волновую функцию динозавров-то не редуцировал — умирали они там или не умирали. Не было наблюдателя!
Тогда, если говорить совершенно честно, получается следующее: то, что мы видим, совместно с предположением, что динозавры действительно существовали. Но это язык расплывчатый, неточный.
Теперь давайте вернемся к кошке и объясним динозавров с точки зрения эксперимента Шрёдингера. Допустим, вы решили поставить эксперимент с задержкой на неделю. Вы посылаете фотон, а через неделю открываете ящик. В результате у вас будет всего два варианта: либо очень голодная кошка, либо протухший кусок мяса, как если бы кошка действительно была или жива или мертва до того, как вы не нее посмотрели и ее волновую функцию редуцировали. И вы начинаете говорить про согласованность разных вариантов истории (consistent histories) — гипотеза о существовании динозавров сто миллионов лет назад согласуется с тем, что вы сейчас видите. И вместо того, чтобы сказать: я знаю, что динозавры действительно когда-то жили, вам приходится произносить это длинное предложение.
А в космологии все еще гораздо хуже. Раньше мы думали, что всегда можно запустить кино назад по времени. То есть сейчас галактики разбегаются, а мы, запустив кино назад, увидим, как они сближаются, и плотность галактик становится тем больше, чем мы ближе к рождению мира. А оказалось, что сначала не было ни галактик, ни обычной материи, они родились из ничего, из квантовых флуктуаций. Это как если бы мы запустили кино о шрёдингеровской кошке и увидели бы, что в конце она либо жива либо мертва, а в начале ее вообще не было. Как тогда вопросы задавать?
Для многих случаев это просто неважно. Мы живем без всяких длинных оговорок насчет того, что мы не знаем точно, действительно ли динозавры когда-то жили на Земле. Для нас это ничего не меняет. А в космологии меняет.
К примеру: если есть космологическая постоянная, то мы как бы окружены черной дырой. Сейчас объясню, как это работает.
Есть экспоненциально расширяющаяся Вселенная. Если вы возьмете чашку и просто отпустите ее, она, как галактики, начнет удаляться от вас. Если эта чашка находится на расстоянии одного миллиарда световых лет, то она будет удаляться с порядочной скоростью. Если она находится на расстоянии примерно 14 миллиардов световых лет, то она будет удаляться от вас со скоростью, равной скорости света. А если больше, то она будет удаляться с такой скоростью, что вы ее никогда не увидите. Это означает, что вы окружены во Вселенной барьером на расстоянии примерно 14 миллиардов световых лет и никогда не сможете увидеть, что находится за ним.
Да, это похоже на черную дыру.
Это называется горизонтом событий (event horizon). Это ровно то, что происходит с черной дырой. Есть специальная система координат для этого мира, так называемой вселенной де Ситтера, в которой он выглядит как черная дыра, вывернутая наизнанку. Это описывает ситуацию с горизонтом событий, которым вы окружены.
Когда вы подходите к черной дыре, вы не видите, что там. А когда вы во Вселенной, сейчас, то вы не видите и никогда не увидите, что находится на расстоянии более 14 миллиардов световых лет. Тогда в каком смысле мы можем говорить про разные истории в разных вселенных? Все истории, которые возможны, развиваются в пределах 14-ти миллиардов лет от вас.
И мультивселенную мы никогда не увидим?
Увидим, но только ее часть. Вот моя любимая бесконечно существующая и самовоспроизводящаяся Вселенная, множественная вселенная, я ее рисую состоящей из красных и зеленых частей, в каждой из которых — разные законы физики. Но эти разные законы физики действительны где-то далеко, за горизонтом событий. Мы их не можем наблюдать во всем их разнообразии.
Но они существуют? Или это просто удобная математическая конструкция?
Удобная для чего? Вот если бы мне еще раз предстояло жить в этой мультивселенной, тогда у меня был бы выбор: в красной, зеленой, синей и так далее вселенной. Но если уж мне больше нигде не жить, то я, по крайней мере, могу понять, что у меня была бы возможность жить в разных местах. И я могу описать свойства моего мира так: в зеленом жить я не могу, в фиолетовом не могу, а в красном могу. Поэтому у меня пропадает чувство удивления, что я родился в красном мире.
Такое удобство понятно, эту картину люди интерпретируют, объясняя, как же так получилось, что именно в нашей Вселенной появились люди. Но существует много других вселенных, бесконечно много, и там действуют другие варианты физики, но нас там нет. А в нашей вселенной действует тот вариант физики, в которой мы можем быть, и вот мы существуем.
Но как это проверить?
Напрямую проверить не получится. В лучшем случае я могу сказать другу: бросься в черную дыру или подойди к горизонту событий. Броситься в черную дыру он сможет. Подойти к горизонту событий тоже сможет! Все видимые нам сегодня галактики через 150-200 миллиардов лет окажутся за горизонтом событий, мы их больше не увидим. Вот пошлю я туда своего друга. Но, оказавшись там, мой друг мне уже ничего не расскажет.
Умрет ли он? Или перейдет на другой уровень, в другую жизнь?
Когда я начинаю говорить про наблюдателя, например про себя, возникает вопрос: насколько серьезно я считаю, что я мог бы родиться в синей или зеленой части вселенной, если бы они были таковы, что я мог бы там существовать? И я думаю: а точно ли, если я там умру, меня больше не будет, или я просто уйду на restart, как компьютерная игра?
Может быть, глупо так думать, но если про это вообще не думать, то мы так и останемся перед лицом частично необъяснимого мира.
Получается, физика потихоньку разбирается с тем, что прежде относилось к области метафизики, считалось не познаваемым опытным или рациональным путем?
Да, многие из тех вопросов, которые решила инфляционная теория, прежде казались метафизическими. Например: «Почему вселенная плоская?» — «Ну какая тебе разница? Вселенная, она большая!» — «А почему она большая?» — «Что за глупый вопрос, это же Вселенная!» — и так далее. Теперь у нас есть возможные объяснения, почему она большая.
Или другой вопрос: «Почему Вселенная однородная?» — «А какой же ей быть? Вот Эйнштейн сказал, что должен быть космологический принцип, согласно которому наша вселенная однородная». — «А почему космологический принцип?» — «А другой идеи не было хорошей».
Я думаю, что иногда надо выходить за привычные рамки в духе «вопросов не задавать, на глупые вопросы не отвечаем» и пытаться эти вопросы рассматривать. Но при этом я сам себя все время хочу поймать за руку, чтобы не обманывать напрасно. Сам-то я могу этим вдохновиться, но прежде чем затаскивать туда других людей, надо их предупредить, что мы имеем дело со сложными вещами. Что-то мы знаем, чего-то не знаем, о чем-то лишь догадываемся. Про некоторые вещи я уверенно говорил, что они абсолютно просты, нам все про них известно. Но стоит только подумать…
Стивен Хокинг тоже про очень многое был уверен, что он знает, и тоже иногда попадался.
У Хокинга были ошибочные научные идеи?
Были, у кого их не было. Он в Москву приехал однажды с идеей о том, что Вселенная в конце концов достигнет максимального расширения, — тогда обсуждалась модель замкнутой Вселенной. Так вот, говорил Хокинг, когда она дойдет до максимального расширения, то начнет коллапсировать и стрела времени повернется в обратную сторону. Я думаю: о, боже! А потом вспоминаю: Андрей Сахаров тоже так думал. За десять лет до Хокинга он выдвинул идею, что в момент максимального расширения Вселенной стрела времени поворачивается. Но Сахаров говорил это просто так, а Хокинг говорил по-ученому, с уравнениями.
Сахаров иногда высказывал идеи, которые трудно было объяснить, и часть из них оказались пророческими, а часть — неправильными или, по крайней мере, не нашедшими себе применения. А Хокинг имел в виду вот что: если написать уравнение Шрёдингера для всей Вселенной, то выяснится, что волновая функция всей Вселенной не зависит от времени.
Это такая странная вещь. Что значит «волновая функция не зависит от времени»? От чего же она тогда зависит? Ну, можно сказать, что она зависит, например, от размера Вселенной. Что-то происходит, Вселенная расширяется, а потом достигает максимума и начинает сжиматься. И когда размер рос, у тебя волновая функция изменялась в одном направлении, а когда он стал сжиматься, она же стала идти обратно. Все, значит, тогда мертвые встают из гробов.
Прямо «чаю воскресения мертвых» — вот уж где метафизика! И что, таки встают?
В том-то и дело. Вот с этой идеей Хокинг приехал, и я ему говорю: «Стивен, да ты что?» А ошибка оказалась очень тонкой. Как вы говорите про время, про стрелу времени и так далее, если времени для всей Вселенной нет? То есть, когда вы говорите, что мертвые встают из гробов, вы должны представить себе, что встают-то по времени, что кто-нибудь видит, что они встают из гробов. Это же квантовая механика, здесь надо быть аккуратным. Тогда вы должны иметь наблюдателя, который все это видит. Вы должны сначала наблюдателя ввести.
Какого — Иисуса Христа?
Да хоть вы можете быть наблюдателем. Вы живете, значит, вы можете видеть, что мертвые встали из гробов, так? Ответ: нет, не можете. Почему? Потому что в момент, когда вы родились, вы разбили вселенную на две части: на «вы» и остальное. Волновая функция всей Вселенной целиком не зависит от времени, но волновая функция этого «всего остального» отлично зависит от времени. И аргумент Хокинга просто исчезает.
Повторим еще раз. Если вы не вводите наблюдателя, ничего не зависит от времени, и тогда разговор о том, что кто-то встает из гроба, бессмысленен, потому что никто ниоткуда не встает. «Встает» означает изменение во времени.
То есть при введении наблюдателя уже не соблюдается независимость волновой функции от времени?
Да. Волновая функция того, что вы видите, отлично зависит от времени на ваших часах. И это парадоксальная ситуация, когда вы задаете вопросы, но ответы на них, если вы не задумываетесь о процедуре измерения, могут оказаться стопроцентно неправильными. Стивен Хокинг — гений, потрясающий человек. Но иногда математика заводит нас туда, где надо сперва подумать, прежде чем делать утверждения.
Обычно вы не задумываетесь о том, что значит слово «реально», и тому подобных вещах. Мы привыкли к чему-то простому, чему нас научили в университете. А приходится думать и об этом. И не то чтобы мы все сильно поумнели от этого. Но, по крайней мере, стараемся не делать неправильных утверждений.
Вернемся к истории Вселенной. У нее был период инфляции, он закончился, и началось то, что мы видим сейчас. Что произошло на этой границе? Есть версия, что там скорость света была другой. Как вы относитесь к этой идее?
Были люди, которые хотели решить все проблемы космологии за счет утверждения, что скорость света была непостоянна. Тогда возникает встречный вопрос: а в каких единицах вы меряете скорость света?
Вот вам простой, но показательный пример. Я прилетел из Америки на конференцию в Канаду. Арендовал машину, надо было ехать в горы. Далеко, я опаздывал, был вечер, и я гоню на максимальной скорости. Там указатели 90, я ровно еду на 90. И вдруг за мной полицейская машина. «Би-би-би», останавливают, начинают со мной говорить по–французски. Я, оказывается, был на французской территории. Я говорю: нет, говорите со мной по-английски. «Вы что, не видите указатель 90?» Я говорю: «Я и еду 90».
А-а, это километры были. А вы в милях ехали?
«Ааа! — я сказал. — You mean kilometers?» Они поглядели на меня, поняли, что перед ними «a stupid American», и отпустили. Так что если мы говорим, что скорость света отличалась от единицы, то в каких единицах мы ее меряем — в милях? А «мили» — это что будет? Поэтому удобнее всего мерить ее в единицах скорости света.
До сих пор мы говорили о мире в рамках вашей теории мультивселенной и поняли, что полностью подтвердить ее наблюдениями трудно. А можно ее опровергнуть или проверить ее фальсифицируемость?
По этому поводу очень много разных высказываний. Теория — она большая и охватывает множество частностей. Тогда первый вопрос будет: хотим ли мы проверить всю инфляционную теорию сразу или каждый из ее конкретных вариантов?
Приведу такой пример. Существует теория слабых электромагнитных взаимодействий, за ее разработку несколько физиков получили несколько Нобелевских премий. Это очень широкая теория. И, независимо от нее, существует теория калибровочных полей, еще более широкая. И теория слабых электромагнитных взаимодействий стала работать лишь после того, как люди поняли, что ее можно правильно определить на основе теории калибровочных полей.
И вот вопрос: теорию калибровочных полей можно фальсифицировать? И о какой именно теории идет речь? Если говорить про теорию слабых взаимодействий или теорию электромагнитных взаимодействий, это все — калибровочные поля. Получается, надо брать какой-то конкретный вариант?
Хорошо, возьмем теорию слабых взаимодействий. А какую именно? Была модель Вайнберга-Салама, была модель Джорджа Глэшоу, еще какие-то модели. Допустим, мы возьмем модель Вайнберга-Салама. А какая там масса топ-кварка? Она же могла быть самая разная. А какое она делала предсказание для массы топ-кварка? А никакого.
В теории инфляции есть общий принцип, по которому она построена. Так же, как в теории элементарных частиц есть принцип, который оказался очень успешным — теория Янга-Миллса, на ее основе были созданы теория сильных взаимодействий и теория электрослабых взаимодействий. Можно было бы попробовать фальсифицировать этот принцип или все случаи его применения, но это очень общий принцип, и за последние тридцать лет он доказал свою эффективность.
В результате никто его никогда не фальсифицировал, да и не хочет, потому что это очень хорошая, удачная теория, лучше всего объясняющая реальность. Получается, что мы им пользуемся и будем пользоваться до тех пор, пока не будет доказано, что он не работает.
Дальше мы углубляемся в частности его применения. Например, можно ли фальсифицировать модели для электрослабых взаимодействий, типа Вайнберга-Салама? Да. Хиггсовский бозон может быть одного типа, может быть другого, когда вы его предскажете. Но предсказать его массу было трудно. Какой он получился, такой получился. Иногда думали что бозон Хиггса легкий, а оказалось, что он тяжелый.
Были же разные предсказания, о нескольких разных бозонах?
Но что вышло-то? Что осталось после всех этих рассуждений? Простейшая структура теории электрослабых взаимодействий оказалась правильной. А то, что у вас там бозон Хиггса потяжелее и полегче, это допускалось — и тот, и другой вариант. А сама структура теории была очень хорошо экспериментально проверена, к огорчению многих людей из Большого адронного коллайдера, которые хотели увидеть новую физику при низкой энергии.
Что мы сейчас имеем с инфляцией? Теория инфляции с самого начала говорила, что Вселенная должна быть плоской. Оказалось, что она плоская. В 1995 году все вдруг испугались, что у Вселенной может быть гиперболическая кривизна (омега равняется 0,3). А потом помучились-помучились, и оказалось — нет, все же плоская.
Одновременно были выдвинуты другие идеи, пытавшиеся объяснить то же самое. Например, теория космических струн. В течение долгого времени часть людей, выдвигавших эту теорию, говорили, что она объясняет то же самое, что и теория инфляции. Но теория космических струн не объясняла, почему Вселенная большая, почему Вселенная плоская, почему она однородная. Не решала ни одну из этих проблем. Но она могла бы решить проблему образования галактик. А потом оказалось, что нет. Теория космических струн не предсказывает те флуктуации, которые видят на небе спутники WMAP и Planck. Все, значит, этой теории нет, ее фальсифицировали. А вот многие предсказания инфляционной теории прекрасно согласуются с наблюдениями.
Есть какие-то другие объяснения, основанные на теории периодической, циклической вселенной. Но все те работы, которые мне удалось проверить, содержали ошибки. Просто ошибки. Я после этого перестал проверять, начиная с некоторого времени. Нельзя исключить, что в этом направлении можно что-то сделать. Но то, что там было сделано, просто удивительно. Когда люди продолжают настаивать на своей точке зрения вопреки тому, что уже все знают, что это ошибка, это приводит к циничному отношению к науке.
Как-то один журналист, который очень любил идею фальсификации и вообще считал, что современная наука зашла в тупик, задал Стивену Вайнбергу, одному из лидеров науки, вопрос: «А как насчет фальсификации?» Вайнберг ответил: «Да вы что, Поппер, который эту идею придумал, был специалистом по статистике. А наука идет не только по пути статистики, фальсификация — не единственный способ проверки теории».
Журналист этот взял интервью, а в конце него дал ссылку на свою собственную статью, в которой он объяснял, как важно фальсифицировать все теории и что современная наука забыла про принцип фальсифицируемости. То есть Вайнберг ему никто, он сам куда умнее. И это происходит с людьми, которые не знают, как наука на самом деле развивается.
А наука развивается так же, как и все в мире: мы берем себе крохи с того стола, где нам их дадут. Если есть подозрение, что кто-то совершил убийство, то ты не ставишь эксперимент еще раз — ты не даешь человеку в руки другой нож, другую жену и не смотришь, что дальше получится, чтобы гипотезу фальсифицировать. Вместо этого ты думаешь, есть ли у тебя другое объяснение наблюдений.
Шерлок Холмс говорил: «Если исключить невозможное, то, что останется, и будет правдой, сколь бы невероятной она ни казалась». Этот принцип не идет по линии фальсификации, это другой способ думать. Есть много наблюдений, которые нельзя объяснить, не используя идею о мультивселенной. Поэтому, согласно Шерлоку Холмсу, эту теорию подтвердить можно.
Наука — это часть жизни. И не всегда мы пользуемся путями, про которые человек по имени Карл Поппер сказал, что вот только ими и надо идти. Но там, где можем, идем.
Из всех вариантов инфляционной теории 95 процентов тех, что были предложены в самом начале, больше нет. Они противоречили деталям наблюдений, были фальсифицированы. Но основная идея осталась и породила новые варианты теории, хорошо описывающие эксперимент. Если большие научные идеи умирают, то это часто не потому, что они могут или не могут быть фальсифицируемы, а потому, что появляются лучшие идеи. Если появится лучшая идея, то зачем тогда мучиться?
Беседовала Александра Борисова
