Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

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.