Роджер Пенроуз: картина мира на листе бумаги Страница 1 из 3

Можно ли нарисовать картину мира карандашом на тетрадном листке? Можно, если карандаш в руках математика. А если этот математик — профессор Роджер Пенроуз, физик и космолог, ревизор теории Большого взрыва, восьмидесятилетний джентльмен из Оксфорда с мягкими манерами и мальчишеской улыбкой, картинка может оказаться такой же неожиданной, как его знаменитый «невозможный треугольник».

Откуда взялась Вселенная, как она устроена и к чему идёт? Это один из немногих научных вопросов, сохранивших свою универсальную философскую составляющую. Эксперимент в этой области по-прежнему затруднителен или невозможен, и разнообразные модели, созданные «из головы» для интерпретации эмпирических данных, продолжают дразнить человеческое воображение, как дразнили его во времена Фалеса и Эпиктета.







Мозаика Пенроуза — непериодическая: её нельзя получить простым переносом какого-либо фрагмента
 

Космологические модели физиков отличаются от умозрительных натурфилософских фантазий античности тем, что опираются на огромные массивы фактов, накопленные в результате высокотехнологичных наблюдений. Космологическая модель представляет собой попытку связать наблюдаемое математически, при необходимости вводя допущения, которые разрешали бы противоречия между фактами.

Эти допущения играют роль своего рода «заплаток на ткани модели». Иногда, по мере накопления информации, роль допущений разрастается, и в какой-то момент оказывается, что условная «ткань» состоит едва ли не из одних «заплаток». Тогда начинается поиск альтернатив — моделей, которым данное допущение было бы не нужно.

Именно это происходит с космологической моделью Большого взрыва. В уравнениях, на которых эта модель основана, смысл космологической постоянной — лямбда-члена, названного когда-то Эйнштейном самой большой своей ошибкой, эволюционировал от параметра кривизны мира до энергетической плотности вакуума, или тёмной энергии, но остался таким же тёмным.

Гипотетические частицы тёмной материи, понятие о которой было введено, чтобы интерпретировать результаты наблюдений, пока ещё никому не удалось ни поймать, ни измерить. Новые наблюдения тем временем заставляют увеличивать удельную значимость и тёмной материи и тёмной энергии, меняя долю допущений к доле фактов в модели Большого взрыва в пользу первых. Поэтому параллельно возникает всё больше идей, авторы которых пытаются уложить имеющиеся факты в рамки стройной космологической теории.

В числе таких альтернатив — теория суперструн, где элементарные частицы возникают как колебания вакуума; теория ветвящейся гипервселенной, где чёрные дыры представляют собой точки ветвления, и некоторые другие, в разной степени проработанные и авторитетные.

Часть сегодняшних моделей, пытающихся «низложить» стандартную, тяготеют к альтернативности ещё в одном смысле слова: они отличаются особым интересом к визуализации своего материала. Большая математика, лежащая в основе большой физики, похоже, несколько устала от диктатуры вычислений и сейчас, во всеоружии технических возможностей, более чем всегда готова выразить свою реальность визуально.

В России к разработке альтернативных физических моделей проявляет особый интерес основанный в 2009 году НИИ Гиперкомплексных систем в геометрии и физике. Этой весной по приглашению директора института Д. Г. Павлова два из его семинаров посетил один из самых, пожалуй, ярких ныне живущих космологов-«альтернативщиков» и геометров-«визуализаторов» — выдающийся британский математик сэр Роджер Пенроуз.

Когда информация о визите появилась и было опубликовано расписание общедоступных лекций профессора в Москве и Петербурге, один пылкий специалист в своём сетевом блоге написал так: «Скажите школьникам, чтобы бросали всё и шли на Пенроуза; объясните им, что это всё равно как если бы к ним приехали Будда и Альберт Эйнштейн в одном лице».

Физик и космолог, в 1950-е создавший под влиянием Эшера свой хрестоматийно известный «невозможный треугольник», в 1988 году разделивший со Стивеном Хокингом престижную физическую премию Вольфа, обладатель медали Дирака и целого списка иных наград, почётный член шести университетов мира, в России Пенроуз выступил с лекциями, посвящёнными модели циклической Вселенной, и принял участие в семинарах НИИ ГСГФ, а в промежутке между семинарами любезно согласился дать интервью журналу «Наука и жизнь».

Слово ему самому.







О теории и фактах

Мои исследования большей частью теоретические, их идея часто заключается в том, чтобы взять нечто из нефизической области и выразить немного другим способом, привнести несколько иное понимание, например математическое. Какой из способов — экспериментальный или умозрительный — воспринимает мир более ясно, чем другой, — это иногда вопрос довольно субъективный, я не уверен в ответе.

Я имею в виду, что разработать теоретическую идею и найти её подтверждение в эксперименте — «Ага! Так оно и есть!» — такое в фундаментальной науке происходит нечасто. Хотя космология, пожалуй, к этому ближе всего. Я сейчас занят космологической темой, и мне кажется, что существуют факты, которые подтверждают мою схему. Хотя, конечно, она даёт и основания для полемики.

Основная идея моей теории довольно безумна. Понимаете, с причудливыми теориями выступают многие, и большинство «безумных идей» неверны, но у этой, мне кажется, есть шанс. В неё хорошо вписывается очень много фактов. Не хочу сказать, что она убеждает своей наглядностью, это было бы преувеличением, но тем не менее существует много данных, которые согласуются с предсказаниями этой теории и которые труднообъяснимы на основании традиционных моделей.

В частности, на основании принятой сегодня модели Большого взрыва. Я принимал эту модель много лет. Отчасти она базируется на наблюдениях — люди наблюдали соответствующий микроволновый фон Вселенной, он действительно существует; а отчасти — на теории. Из теории Эйнштейна, из некоторой математики, имеющей к ней отношение, и из общих физических принципов следует, что Большой взрыв должен был произойти. И данные, свидетельствующие о Большом взрыве, тоже очень убедительны.

О странности

В Большом взрыве есть что-то очень странное. Эта странность тревожила меня несколько десятков лет. Большинство космологов по какой-то загадочной причине не обращают на неё внимания, но меня она всегда озадачивала. Эта странность связана с одним из самых широко известных физических начал — вторым законом термодинамики, который сообщает вам, что случайность — доля случайности — со временем растёт.

Совершенно очевидно и логично, что если энтропия увеличивается в направлении будущего, то, если смотреть в прошлое, она должна уменьшаться и когда-то в прошлом — быть очень низкой. Следовательно, Большой взрыв должен быть очень высокоорганизованным процессом, с очень малым элементом энтропии.

Однако одна из главных наблюдаемых на микроволновом фоне характеристик Большого взрыва заключается в том, что он чрезвычайно случаен, произволен по своему характеру. Вот кривая, показывающая спектр частот и интенсивность каждой частоты: если двигаться по этой кривой, то окажется, что она имеет случайную природу.

А случайность — это максимум энтропии. Противоречие вполне очевидное. Некоторые считают, что это, возможно, связано с тем, что Вселенная тогда была маленькой, а сейчас стала большая, но это не может служить объяснением, и это поняли уже давно. Известный американский математик и физик Ричард Толмен понял, что расширяющаяся Вселенная — не объяснение и что Большой взрыв был чем-то особенным.

Но насколько особенным, не знали до появления формулы Бекенштейна — Хокинга, связанной с чёрными дырами. Эта формула в полной мере демонстрирует «особенность» Большого взрыва. Всё, что можно увидеть на кривой, — рэндомно, имеет случайную природу. Но есть кое-что, на что вы просто не смотрите: гравитация. На неё непросто «посмотреть»: гравитация очень однородна, униформна.

В её очень равномерно распределённом поле находится всё, на что вы обычно смотрите. Из этого следует, что у гравитации очень низкая энтропия. Это и есть самое невероятное, если угодно: есть гравитация, значит, есть низкая энтропия, всё остальное обладает большей. Как это можно объяснить? Раньше я предполагал, что эта странность лежит в области квантовой гравитации.

Существует мнение: чтобы понять Большой взрыв, надо понимать и квантовую механику, и гравитацию, нужен способ совместить их, некая теория, которая бы дала нам новое представление о гравитации в рамках квантовой механики и которой у нас нет. Но квантовая механика и гравитация не могут объяснить этой гигантской асимметрии во времени, с которой я начал.

Существует сингулярность Большого взрыва, которая характеризуется очень низкой энтропией, и сингулярность чёрных дыр, которая, напротив, обладает очень высокой энтропией. Но при этом Большой взрыв и чёрные дыры — две совершенно разные вещи. Это нуждается в объяснении. Я знаю, что существует теория раздувающейся Вселенной, некоторые говорят о специфике процессов в молодой Вселенной, но мне это никогда не нравилось в качестве объяснения.

Шесть или семь лет назад я внезапно понял, что объяснить характер Большого взрыва можно, если использовать модель бесконечного будущего — идея, которая получила Нобелевскую премию по физике в один из прошлых годов; там исследовали «тёмную энергию» (крайне, на мой взгляд, неудачное название).

Насколько нам сейчас известно, эта модель хорошо объясняет эйнштейновскую космологическую постоянную, предложенную в 1915 году. Я понимал, что надо учитывать космологическую постоянную, но в целом считал, что дело не в ней. Я ошибался. Факты показали: как раз в ней.

По своему физическому характеру бесконечность очень похожа на Большой взрыв. Меняется только шкала: в одном случае маленькая, в другом — большая, остальное очень похоже. Гравитационные степени свободы в самом начале почти отсутствуют. Я знал это и прежде, но я не удосуживался связать одно с другим: Большой взрыв и бесконечность похожи.


  • 127
  • 19/09/2016


Поделись



Подпишись



Смотрите также