О том, как биологическая и электронная жизнь будут все быстрее и быстрее усложняться
Я играю в покер с Ньютоном, Эйнштейном и лейтенантом Дэйтой.
Кадр из сериала «Звездный путь: Новое поколение»
Своей огромной популярностью «Звездный путь» обязан тому, что в нем представлена безопасная и успокаивающая версия будущего. Я сам до некоторой степени фанат «Звездного пути», так что легко согласился принять участие в эпизоде, где играл в покер с Ньютоном, Эйнштейном и лейтенантом Дэйтой. Я обыграл их всех, но, к сожалению, объявили красную тревогу и я не успел забрать свой выигрыш.
Общество, которое показано в «Звездном пути», намного превосходит нас в науке, технике и политической организации. (Последнее кажется не слишком сложным.) Между нашим и тем временем должны были произойти большие изменения с сопутствующими им кризисами и потрясениями, но в тот период, который нам показан, наука, техника и организация общества, по-видимому, достигли уровня, близкого к совершенству.
| * Черная смерть — эпидемия бубонной чумы, которая в 1347-1351 гг. унесла жизни около 75 млн человек по всему миру, в том числе от 15 до 34 млн человек в Европе (до половины тогдашнего населения). |
Мне хотелось бы поставить под сомнение эту картину и спросить, достигнем ли мы когда-нибудь стабильного конечного состояния в науке и технике. За те десять или около того тысяч лет, что прошли с последнего ледникового периода, человеческая раса никогда не останавливалась на постоянном уровне знаний и неизменных технологиях. Была задержка в Средние века после падения Римской империи. Но численность населения Земли, которая служит мерой технологической способности сохранить жизнь и прокормить себя, устойчиво росла лишь с небольшими откатами, вроде того, что вызвала Черная смерть* (рис. 6.1).
Слева: Общемировое потребление электроэнергии (тонна BCU - эквивалентная тонна битуминозного угля, 1 тонна BCU = 8,13 МВт-ч).
Справа: Количество (тыс.) ежегодно публикуемых научных статей. В1900 г. опубликовано около 9 тыс. статей. К1950 г. их стало появляться около 90 тыс., а к 2000 г. - около 900 тыс.
В последние 200 лет рост населения стал экспоненциальным; это значит, что относительный годовой прирост, выраженный в процентах, остается неизменным. Сейчас он составляет 1,9 % в год. Может показаться, что это немного, однако при таких темпах мировое население удваивается каждые 40 лет (рис. 6.2).
Другими индикаторами технического прогресса в последнее время служат потребление электроэнергии и количество научных публикаций. Они тоже демонстрируют экспоненциальный рост с периодом удвоения меньше 40 лет. Нет никаких признаков того, что научное и техническое развитие замедлится или остановится в скором будущем — и уж, конечно, этого не случится до эпохи «Звездного пути», которая не за горами. Но если население Земли и его потребности в электроэнергии продолжат расти нынешними темпами, к 2600 г. люди заполнят всю планету, так что поместятся на ней только стоя плечом к плечу, а электричество разогреет ее до красного свечения.
Если вы будете ставить друг за другом на одну полку все напечатанные книги, вам придется ехать со скоростью 150 км/ч,
К 2600 г. население Земли, чтобы уместиться на планете, вынуждено будет стоять плечом к плечу, а потребляемая электроэнергия разогреет ее до красного свечения
для того чтобы держаться у конца занятого места. Конечно, к 2600 г. произведения художественной литературы и научные работы будут публиковаться в электронной форме, а не на бумаге, но все же если экспоненциальный рост продолжится, то только в моей области теоретической физики станет появляться по десять статей в секунду и на их чтение просто не будет времени.
Ясно, что современный экспоненциальный рост не может продолжаться бесконечно. Так что же случится? Одна из возможностей состоит в том, что мы полностью уничтожим себя в какой-нибудь катастрофе вроде ядерной войны. Существует мрачная идея, будто мы потому до сих пор не вступили в контакт с инопланетянами, что цивилизации, достигнув нашего уровня развития, становятся неустойчивыми и самоуничтожаются. Однако я оптимист. Я не верю, что человеческая раса зашла так далеко лишь для того, чтобы испустить дух, когда все самое интересное еще только начинается.
Картина будущего, нарисованная в «Звездном пути», — согласно которой мы достигнем высокого, но в целом статичного уровня развития — может оказаться верной в отношении нашего знания основных законов, управляющих Вселенной. Как я покажу в следующей главе, возможно, существует некая окончательная теория, которую мы откроем в недалеком будущем. Эта окончательная теория, если она существует, определит, может ли быть реализована мечта о варп-двигателе из «Звездного пути». Согласно современным представлениям нам предстоит долго и нудно исследовать Галактику с помощью кораблей, путешествующих с досветовой скоростью, однако пока мы не располагаем полной объединенной теорией, нельзя узнать, сможем ли мы создать варп-двигатель (рис. 6.3).
 |
Рис. 6.3
В сериале «Звездный путь» вся история зависит от звездолета «Эн-терпрайз» и космические корабли вроде того, что изображен вверху, способны двигаться на варп-скоро-сти, многократно обгоняя свет. Однако, если верна гипотеза защиты хронологии, мы будем исследовать Галактику с помощью ракетных двигателей на кораблях, движущихся медленнее света.
С другой стороны, мы уже знаем законы, которые соблюдаются во всех ситуациях, кроме самых критических, — законы, которым подчиняется экипаж «Энтерпрайза», если не сам звездолет. И все-таки непохоже, что мы когда-либо достигнем стабильного состояния в том, как применять эти законы или в сложности систем, которые можно с их помощью создавать. Именно этой сложности и будет посвящен остаток данной главы.
Среди всех систем, которые у нас есть, самые сложные — это наши собственные тела. Жизнь, по-видимому, появилась в первичных океанах, которые покрывали Землю четыре миллиарда лет назад. Как это случилось, нам неизвестно. Возможно, случайные столкновения атомов привели к образованию макромолекул, способных самовоспроизводиться и собираться в более сложные структуры. Но мы точно знаем, что около трех с половиной миллиардов лет назад появилась весьма сложная молекула ДНК.
ДНК — это основа всей жизни на Земле. Она имеет структуру двойной спирали, подобную винтовой лестнице; эту структуру открыли Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон в Кавендишской лаборатории Кембриджа в 1953 г.* Две нити двойной спирали связаны парами оснований, которые играют роль ступенек спиральной лестницы. В ДНК имеется четыре типа оснований: аде-нин, гуанин, тимин и цитозин. Порядок их расположения вдоль винтовой лестницы, кодирует генетическую информацию, которая позволяет ДНК собирать вокруг себя организм, для того чтобы самовоспроизводиться. Когда она производит свои копии, иногда возникают ошибки в соответствии или порядке следования оснований вдоль спирали. В большинстве случаев это либо лишает ДНК способности к репродуцированию, либо делает его менее вероятным, а значит, такие генетические ошибки, или мутации, как их называют, будут отсеиваться. Но в редких случаях мутация увеличивает шансы ДНК на выживание и репродуцирование. Подобные изменения в генетическом коде закрепляются. Таким способом информация, содержащаяся в последовательности ДНК, постепенно эволюционирует и усложняется (рис. 6.4).
Поскольку в основе биологической эволюции лежит случайное блуждание в пространстве всех генетических возможностей, она протекает очень медленно. Сложность, определяемая количеством бит информации, закодированных в ДНК, примерно равна числу оснований в одной молекуле. Первые миллиарда два лет сложность должна была прирастать со скоростью порядка одного бита информации за 100 лет. Постепенно темп усложнения ДНК нарастал, увеличившись примерно до одного бита в год на протяжении нескольких последних миллионов лет*. А потом, около шести или восьми тысяч лет назад, возникло одно большое усовершенствование. Мы обрели письменность. Теперь информация могла передаваться от одного поколения к другому независимо от чрезвычайно медленного процесса случайных мутаций и естественного отбора генетического кода в цепочках ДНК. Сложность колоссально увеличилась. Одна книжка карманного формата содержит такое же количество информации, которое отличает ДНК обезьяны от ДНК человека, тридцатитомная энциклопедия может описать всю последовательность человеческой ДНК (рис. 6.5).
* За что в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Рис. 6.4
ЭВОЛЮЦИЯ В ДЕЙСТВИИ
Справа: созданные компьютером биоморфы, которые развились в программе, разработанной биологом Ричардом Докинзом.
Жизнеспособность того или иного штамма зависела оттого, насколько его особи «интересны», «необычны» или «похожи на насекомое».
* Геном человека содержит около 3 млрд пар нуклеотидов. Каждая из них несет 2 бита информации. Это значит, что средняя скорость накопления генетической информации за все время существования жизни на Земле была не ниже 1,5 бит в год. По современным представлениям, механизмы эволюции значительно сложнее и многообразнее сугубо случайного блуждания. Бактерии обмениваются целыми фрагментами генетического кода. Участки генома могут многократно копироваться и перемещаться с места на место. Половое размножение резко повышает изменчивость. Ретровирусы, по-видимому, способны внедрять в геном высших организмов целые куски генетического кода. Все это обеспечивает значительно большую скорость накопления генетической информации, чем та, что достигается за счет одних только случайных точечных мутаций.
Все начиналось с одного пикселя, и первые поколения развивались в условиях, подобных естественному отбору. Докинз вывел насекомопо-добные формы удивительно быстро — всего за 29 поколений (получив по пути ряд эволюционных тупиков).
Еще важнее то, что информация в книгах способна быстро обновляться. Современный темп изменения человеческой ДНК под действием биологической эволюции составляет около одного бита в год. Но за год выходит около двухсот тысяч новых книг, а скорость появления новой информации превосходит миллион бит в секунду. Конечно, большая часть этой информации — мусор, но даже если только один бит из миллиона окажется полезным, это будет все равно в сто тысяч раз быстрее биологической эволюции*.
* Конечно, все приведенные цифры крайне приблизительны. Если считать только текстовую информацию в новых книгах, то получится меньше миллиона бит в секунду. Но если те же книги посчитать как графику с высоким разрешением, то новой информации окажется в сотни раз больше. С учетом журналов и газет оценка объема информации вырастет примерно на два порядка. Еще больше получится, если учесть информацию, сохраняемую в памяти компьютеров.
Эта передача данных по внешним, небиологическим каналам привела человеческую расу к доминированию в мире и обеспечила экспоненциальный рост населения. Но сейчас мы находимся в начале новой эры, в которой сможем увеличить сложность наших внутренних записей, наших ДНК, не ожидая медленного течения биологической эволюции. Существенных изменений в человеческой ДНК не происходило по крайней мере последние десять тысяч лет, но весьма вероятно, что мы 
сможем полностью перепроектировать ее в ближайшие несколько тысячелетий. Конечно, многие люди скажут, что генная инженерия человека должна быть запрещена, но сомнительно, чтобы мы могли ее избежать. Генная инженерия растений и животных будет разрешена по экономическим причинам, и кто-то непременно попробует ее на человеке. Если только у нас не установится тоталитарный мировой порядок, кто-то где-то будет создавать усовершенствованного человека.
Ясно, что создание такого человека вызовет огромные социальные и политические проблемы, связанные с неусовершенствованными людьми. Мои намерения состоят не в том, чтобы отстаивать генную инженерию человека как желательный путь развития, а лишь в том, чтобы сообщить: это весьма вероятно случится, хотим мы того или нет. Вот почему я не верю в научную фантастику вроде «Звездного пути», где люди спустя четыре столетия в основном такие же, как и сегодня. Я думаю, что человеческая раса и ее ДНК будут наращивать сложность очень быстро. Мы должны понять, что это, скорее всего, случится, и обдумать, как нам реагировать.
НАШЕ БУДУЩЕЕ: ЗВЕЗДНЫЙ ПУТЬ ИЛИ НЕТ?
Нейроимплантаты позволят улучшить память и за считанные минуты усваивать большие объемы информации, например новый язык или содержание этой книги.
Усовершенствованные люди будут лишь отдаленно напоминать нас
Можно сказать, что умственные и физические свойства человеческой расы требуют усовершенствования, если она намерена иметь дело с нарастающей сложностью окружающего мира и принять новые вызовы, такие как космические путешествия. Людям также нужно становиться сложнее, если биологические системы намерены сохранить превосходство над электронными. Сейчас компьютеры имеют преимущество в скорости, но они не проявляют никаких признаков разума. Это не удивительно, поскольку современные компьютеры не сложнее мозга дождевого червя, у которого мощного интеллекта не наблюдается.
Но компьютеры подчиняются известному закону Мура: их скорость и сложность удваиваются каждые 18 месяцев (рис. 6.6). Это тоже один из примеров экспоненциального роста, который не может длиться бесконечно. Однако он, вероятно, будет продолжаться, пока компьютеры по сложности устройства не сравняются с человеческим мозгом. Некоторые люди говорят, что компьютеры никогда не продемонстрируют настоящего разума, что бы мы под этим ни подразумевали. Но мне кажется, что если очень сложные химические молекулы могут, работая в человеке, сделать его разумным, то и столь же сложные электронные цепи способны заставить компьютеры вести себя разумно. А став разумными, они, вероятно, создадут компьютеры еще более сложные и разумные.
Человеческий род существует на протяжении крошечной доли всей истории Вселенной. (Если эту схему изобразить в масштабе, так чтобы времени существования человека соответствовало около 7 см, вся история Вселенной протянется больше чем на километр.) Любая форма жизни, которую мы встретим, скорее всего, будет либо намного более примитивна, либо намного более развита, чем мы.
Будет ли это нарастание биологической или электронной сложности продолжаться вечно или имеется какой-то естественный предел? В случае человеческого разума ограничением до сих пор служили размеры головы плода, которая должна проходить через родовые пути. Наблюдая за рождением троих моих детей, я убедился, как трудно голове ребенка выйти наружу. Но, думаю, что в следующие несколько сотен лет мы научимся выращивать детей вне человеческого тела и это ограничение будет снято. В конечном счете, однако, человеческий мозг, выросший в размерах благодаря генной инженерии, столкнется с другой проблемой: биохимические агенты, ответственные за нашу мыслительную деятельность, движутся относительно медленно. Это означает, что дальнейшее нарастание сложности мозга будет происходить за счет скорости. Мы можем быть либо находчивыми, либо мудрыми, но не теми и другими вместе. И все же, думаю, мы можем стать намного умнее большинства персонажей «Звездного пути», не в этом будут заключаться трудности.
Для электронных цепей характерна та же проблема «сложность против скорости», что и для человеческого мозга. В этом случае, однако, сигналы — электрические, а не биохимические — распространяются со скоростью света, которая много выше. Тем не менее скорость света уже стала на практике ограничивающим фактором при создании все более быстрых компьютеров. Можно улучшить положение, сделав цепи меньше, но в конечном счете мы столкнемся с пределом, который накладывает атомарная природа вещества. Впрочем, у нас еще остается некоторый простор для развития, пока мы не подойдем к этому барьеру.
Другой путь, на котором электроника может наращивать свою сложность при сохранении скорости, состоит в копировании человеческого мозга. В мозгу нет одного центрального процессорного устройства, которое последовательно обрабатывало бы команду за командой. Вместо этого миллионы процессоров работают вместе в одно и то же время. Такая массовая параллельная обработка также является будущим электронного разума.
БИОЭЛЕКТРОННЫЙ ИНТЕРФЕЙС
Через двадцать лет тысячедолларовый компьютер может сравняться по сложности с человеческим мозгом. Параллельные процессоры будут имитировать работу нашего мозга и позволят компьютерам действовать так, будто те обладают разумом и сознанием.
Нейроимплантаты могут обеспечить значительно более быстрый интерфейс «мозг-компьютер», стирая границу между биологическим и электронным разумом.
Вероятно, в ближайшем будущем большинство деловых соглашений станут заключать между собой киберличности через Всемирную сеть.
Через десять лет многие из нас могут даже отдать предпочтение виртуальной жизни в Сети, создавая киберсодружества и выстраивая виртуальные отношения.
Наше понимание генома человека, несомненно, обеспечит огромный прогресс в медицине, но оно также позволит нам значительно увеличить сложность структуры человеческой ДНК. В течение нескольких сотен лет генная инженерия человека может заменить собой биологическую эволюцию, преобразив человеческий вид и поставив совершенно новые этические вопросы.
Для космических путешествий за пределы нашей Солнечной системы, по-видимому, потребуются полностью генетически реконструированные люди или беспилотные зонды, управляемые роботами.
Если предположить, что в ближайшее столетие человечество само себя не уничтожит, то, вероятно, мы расселимся сначала по планетам Солнечной системы, а потом и у ближайших звезд. Но это не будет похоже на «Звездный путь» или «Вавилон-5», где едва ли не в каждой звездной системе встречается новая раса, почти неотличимая от людей. Человек пребывает в своей нынешней форме всего пару миллионов лет из примерно 15 миллиардов, прошедших со времен Большого взрыва (рис. 6.7).
Поэтому даже если у других звезд развивается жизнь, шансы застать ее на стадии, внешне похожей на человека, очень малы. Любая внеземная жизнь, которую мы встретим, скорее всего, будет либо намного более примитивной, либо намного более развитой. Если она более развита, то почему не распространилась по Галактике и не добралась до Земли? Если бы пришельцы наведались к нам, это было бы очевидно: скорее как в фильме «День независимости», чем в «Инопланетянине».
Так как же можно объяснить отсутствие космических пришельцев? Возможно, существующая где-то во Вселенной высокоразвитая раса знает о нашем существовании, но оставила нас подрастать, варясь в собственном, примитивном соку. Впрочем, сомнительно, чтобы они проявили такую заботу в отношении низкоразвитой формы жизни: многие ли из нас беспокоятся о том, сколько насекомых или земляных червей мы давим ногами? Более приемлемое объяснение состоит в том, что очень низка вероятность развития жизни на других планетах либо того, что жизнь порождает разум. Поскольку мы считаем себя разумными, пусть и без особых к тому оснований, то склонны считать разум неизбежным следствием эволюции. Однако в этом можно усомниться. Вовсе не очевидно, что разум имеет значительную ценность в плане выживания. Бактерии отлично живут без него и переживут нас, если так называемый разум приведет к самоуничтожению в ядерной войне. Так что, исследуя Галактику, мы можем обнаружить примитивную жизнь, но маловероятно, что мы найдем существ, похожих на нас.
Будущее науки вряд ли окажется похожим на успокоительную картину, нарисованную в фильме «Звездный путь»: Вселенная, населенная множеством 1уманоидных рас с высокоразвитыми, но в целом статическими наукой и техникой. Я думаю, мы останемся в одиночестве, но будем быстро развиваться в направлении биологического и электронного усложнения. Немногое из этого появится в ближайшую сотню лет, в пределах которой мы еще можем давать надежные прогнозы. Но к концу третьего тысячелетия, если мы до него доживем, отличия от мира «Звездного пути» будут радикальными.
Глава 7
О дивный БРАНЫМИР
О том, живем ли мы на бране или являем собой всего-навсего голограммы
Как сложится в будущем наш поход за открытиями? Добьемся ли мы успеха в поисках полной единой теории, которая управляет Вселенной и всем, что в ней содержится? На самом деле, как говорилось в главе 2, мы, возможно, уже нашли Теорию Всего (ТВ) в лице М-теории. Она не имеет единой формулировки, по крайней мере, мы ее не знаем. Вместо нее мы открыли сеть внешне различных математических структур, которые все кажутся приближениями в разных пределах к одной и той же лежащей в основе фундаментальной теории, подобно тому как всемирное тяготение Ньютона является приближением к общей 
теории относительности Эйнштейна в пределе слабого гравитационного поля. М-теория похожа на пазл: проще всего найти и составить вместе фрагменты, лежащие по краям мозаики. Так и М-теорию легче развивать в пределах, в которых те или иные параметры малы. На сегодня у нас есть замечательные идеи об этих краях, но в центре пазла остается зияющая дыра, происходящее в которой остается для нас неведомым (рис. 7.1). Фактически мы не сможем сказать, что нашли Теорию Всего, пока не заполним эту дыру.
Что же находится в центре М-теории? Обнаружим ли мы там драконов (или что-то не менее странное), как на старых картах неисследованных земель? Прошлый опыт подсказывает, что каждый раз, когда наши наблюдения продвигаются в направлении меньших масштабов, мы обычно находим новые неожиданные явления. К началу XX века мы понимали функционирование природы в масштабах классической физики, которая хорошо работает от межзвездных расстояний до примерно сотой доли миллиметра. Классическая физика считала материю сплошной средой с такими свойствами, как упругость и вязкость, но стали появляться свидетельства того, что вещество не сплошное, а зернистое: оно состоит из строительных блоков, называемых атомами. Слово «атом» пришло из греческого языка и означает «неделимый», но вскоре обнаружилось, что атомы состоят из электронов, которые обращаются вокруг ядер, состоящих из протонов и нейтронов (рис. 7.2).
Рис. 7.3
ПРОТОН (вверху) и НЕЙТРОН (внизу)
Протон состоит из двух и-кварков, каждый из которых несет положительный заряд величиной две трети [от заряда протона. - Перев.] и одного d-кварка с отрицательным зарядом величиной в одну треть. Нейтрон состоит из двух d-кварков, каждый из которых несет отрицательный заряд величиной в одну треть, и одного и-кварка с положительным зарядом в две трети.
Исследования в области атомной физики в течение первых трех десятилетий прошлого века позволили нам продвинуться в понимании строения материи до расстояний порядка миллионной доли миллиметра. Затем мы открыли, что протоны и нейтроны состоят из еще меньших частиц, называемых кварками (рис. 7.3).
Наши недавние исследования в области ядерной физики и физики высоких энергий позволили добраться до масштабов, еще в миллиард раз меньших. Может сложиться впечатление, что так будет продолжаться вечно, что мы будем открывать новые структуры все меньшего и меньшего масштаба. Но у этой последовательности есть предел, как и у вложенных друг в друга матрешек (рис. 7.4).
В конце появляется самая маленькая матрешка, которую уже нельзя разъять. В физике ее называют планковской длиной. Чтобы исследовать меньшие размеры, понадобятся частицы со столь высокой энергией, что они будут находиться внутри черных дыр. Точное значение фундаментальной планковской длины в М-теории нам неизвестно, но оно, по-видимому, меньше, чем миллиметр, деленный на 100 тысяч миллиардов миллиардов миллиардов частей. Нам даже близко не подойти к созданию ускорителя, пригодного для изучения столь малых размеров. Его габариты превосходили бы Солнечную систему и при нынешнем финансовом климате его сооружение вряд ли одобрят (рис. 7.5).
Каждая матрешка отвечает теоретическому пониманию природы до определенного масштаба. В каждой из них содержится кукла меньшего размера, соответствующая теории, которая описывает природу на более коротких расстояниях. Но в физике существует самая маленькая фундаментальная длина - планковская - масштаб, в котором Вселенная, возможно, описывается М-теорией.
Рис. 7.5
Размер ускорителя для изучения столь малых расстояний, как план-ковская длина, оказался бы больше диаметра Солнечной системы.
И все же есть одна поразительная новая разработка, с помощью которой открыть по крайней мере некоторых драконов М-теории можно гораздо проще (и дешевле). Как говорилось в главах 2 и 3, в сети математических моделей М-теории пространство-время имеет 10 или 11 измерений. До недавнего времени считалось, что 6 или 7 лишних измерений должны быть свернуты до очень малых размеров. Это можно уподобить человеческому волосу (рис. 7.6).
Разглядывая волос под лупой, вы заметите, что у него есть толщина, однако для невооруженного глаза он выглядит как линия, имеющая длину, но никаких других измерений. Подобным образом может обстоять дело с пространством-временем: в человеческих, атомных и даже ядерных масштабах оно может выглядеть четырехмерным и почти плоским. Но если мы прозондируем его на очень коротких расстояниях с помощью частиц чрезвычайно высокой энергии, то увидим, что пространство-время 10- или 11-мерно.
Для невооруженного глаза волос выглядит линией. Его единственным измерением кажется длина. Аналогично пространство-время может выглядеть четырехмерным, но при зондировании высокоэнергетическими частицами оказаться 10- или 11-мерным.
Миры на Бране
Электрическое взаимодействие должно быть привязано к бране и ослабевать со скоростью, обеспечивающей устойчивость орбит электронов вокруг атомного ядра.
Если все дополнительные измерения очень малы, их будет крайне трудно наблюдать. Однако недавно появилось предположение, что одно или несколько дополнительных измерений могут оказаться относительно большими или даже бесконечными. Эта идея имеет важное преимущество (по крайней мере, для таких позитивистов, как я), поскольку она допускает проверку на следующем поколении ускорителей элементарных частиц или путем высокоточных измерений гравитационных сил на коротких расстояниях. Такие наблюдения могут либо фальсифицировать теорию, либо экспериментально подтвердить наличие других измерений.
Большие дополнительные измерения — это захватывающая новая область исследований в наших поисках окончательной модели или теории. Они могли бы указать, что мы живем в 4-бранном мире — на четырехмерной поверхности или бране в пространстве-времени большей размерности.
О ДИВНЫЙ ВРАНЫМИР
Материя и негравитационные, например электрические, силы могут быть привязаны к бране. То есть все, что не имеет отношения к гравитации, происходит так же, как в четырех измерениях. В частности, сила электрического взаимодействия между ядром атома и обращающимися вокруг него электронами будет уменьшаться с расстоянием как раз с такой скоростью, чтобы электроны не падали на ядро и атомы были устойчивыми (рис. 7.7).
Не будет противоречий и с антропным принципом, гласящим, что Вселенная должна быть пригодна для разумной жизни: если бы атомы были нестабильны, мы не могли бы наблюдать Вселенную и интересоваться, почему она четырехмерна.
С другой стороны, гравитация в форме искривленного пространства может пронизывать все многомерное пространство-время. Это означало бы, что гравитация ведет себя иначе, чем остальные известные нам силы: распространяясь на дополнительные измерения, она должна ослабевать быстрее, чем мы ожидаем (рис. 7.8).
Рис. 7.8
Гравитация может распространяться в дополнительные измерения, так же как и вдоль браны, и в таком случае должна ослабевать с расстоянием быстрее, чем в четырех измерениях.
Более быстрое ослабление силы гравитации на больших расстояниях сделало бы орбиты планет нестабильными. Планеты либо упали бы на Солнце (а), либо вырвались из пут его притяжения (Ь).
Если бы это более быстрое спадание силы тяготения продолжалось на астрономических расстояниях, то мы могли бы заметить его проявление на орбитах далеких планет. Фактически, как отмечалось в главе 3, они оказались бы нестабильными: планеты либо падали бы на Солнце, либо улетали в темное и холодное межзвездное пространство (рис. 7.9).
Однако этого не происходит, если дополнительные размерности заканчиваются на другой бране, не слишком далеко от той, на которой живем мы. Тогда на расстояниях, превышающих то, которое разделяет браны, гравитация не сможет свободно распространяться, а окажется фактически привязана к бране, подобно электрическому взаимодействию, и в масштабах планетных орбит будет спадать с правильной скоростью (рис. 7.10).
С другой стороны, на расстояниях, меньших, чем расстояния между бранами, гравитация будет изменяться быстрее. Крайне малые гравитационные силы между тяжелыми предметами тщательно измерялись в лаборатории, но эксперименты пока не обнаруживают проявления бран, разделенных более чем несколькими миллиметрами. Сейчас проводятся новые измерения на еще более коротких расстояниях (рис. 7.11).
Вторая брана вблизи нашей могла бы препятствовать распространению гравитации далеко в дополнительные измерения, а значит, на расстояниях, превышающих интервал между бранами, гравитация ослабевала бы с такой же скоростью, как и в четырех измерениях.
РИС. 7.11
ЭКСПЕРИМЕНТ КАВЕНДИША
Лазерный луч е реагирует на любой поворот коромысла, смещаясь по специально откалиброванному экрану f. Две небольшие свинцовые сферы а, насаженные на коромысло be маленьким зеркалом с, свободно подвешены на скручиваемом волокне.
Две большие свинцовые сферы д помещены рядом с небольшими (а) на крутящейся перекладине. Когда большие свинцовые сферы поворачивают в новое положение, коромысло начинает колебаться и постепенно занимает новое положение.
Если в таком мире бран мы жили бы на одной бране, то рядом имели бы другую — «теневую». Поскольку свет привязан к бранам и может распространяться в пространстве между ними, видеть теневой мир мы бы не могли, однако чувствовали бы гравитационное воздействие материи с теневой браны. На нашей бране такие гравитационные силы казались бы вызванными чем-то поистине «темным», чье присутствие можно заметить только по его тяготению (рис. 7.12). На самом деле для того, чтобы объяснить скорость обращения звезд вокруг центра нашей галактики, по-видимому, надо считать, что там находится большая масса, чем та, которую можно связать с наблюдаемым там веществом.
Недостающая масса может быть связана с какими-то экзотическими для нашего мира видами частиц, например это могут быть WIMP (weakly interacting massive particles — слабо различные космологические наблюдения дают Г сильные аргументы в пользу того, что в нашей и других галактиках должно быть намного больше вещества, чем мы видим. Самое убедительное из этих наблюдений - то, что звезды на краях спиральных галактик, подобных нашему Млечному Пути, обращаются намного быстрее, чем если бы они удерживались на своих орбитах только гравитационным притяжением наблюдаемых нами звезд (см. с. 195).
В концепции мира на бране планеты могут обращаться вокруг скрытой массы, расположенной на теневой бране, поскольку гравитационное взаимодействие проникает в дополнительные измерения.
СВИДЕТЕЛЬСТВО В ПОЛЬЗУ СУЩЕСТВОВАНИЯ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
С 1970-х гг. нам известно о существовании различий между наблюдаемыми скоростями обращения звезд во внешних областях спиральных галактик (отмечены точками на графике) и орбитальными скоростями, которые ожидаются в соответствии с законами Ньютона на основании данных о распределении видимых в галактике звезд (сплошная кривая на графике). Это расхождение указывает, что во внешних частях спиральных галактик должно быть намного больше вещества.
ПРИРОДА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
Современные космологи считают, что хотя центральные части спиральных галактик состоят в основном из обычных звезд, на их окраинах доминирует темная материя, которую невозможно увидеть непосредственно. Одна из фундаментальных задач — открыть природу доминирующей формы темной материи в этих внешних областях галактик. До 1980-х гг. предполагалось, что это обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, но находящееся в трудно обнаружимой форме; возможно, это газовые облака или массивные компактные гало-объекты - MACHO (massive compact halo objects), например белые карлики, нейтронные звезды или даже черные дыры.
Однако недавние исследования образования галактик склонили космологов к убеждению, что значительная часть темной материи должна отличаться от обычного вещества. Возможно, она складывается из огромного числа очень легких частиц, например аксионов или нейтрино. Она может также состоять из более экзотических слабо взаимодействующих массивных частиц WIMP (weakly interacting massive particles), существование которых предсказывают современные теории элементарных частиц, но которые еще никогда не регистрировались экспериментально.
Мы не увидим теневой галактики на теневой бране, поскольку свет не проходит через дополнительные измерения. Но тяготение проходит, и потому вращение нашей Галактики должно испытыва