Претензии квантовой космологии идут дальше вдохновляющих теоретических исследований того, что бы могло быть по ту сторону Большого взрыва. Есть и другая причина для изучения квантовой теории гравитации применительно к космологии: эти исследования могут позволить проверить, действительно ли верна эта теория.

Наука работает, поскольку за гипотезами и рассуждениями, за интуицией и озарениями, за уравнениями и вычислениями следует проверка – на правильном мы пути или нет: теория дает предсказания о явлениях, которых мы еще не наблюдали, и можно проверить, верны они или нет. Сила науки именно в том, что ее надежность обоснована, и это позволяет нам быть в ней уверенными: мы можем проверить, верна теория или нет. Именно это отличает науку от других видов мышления, в которых решение о том, кто прав, а кто ошибается, представляет собой гораздо более трудный вопрос, порой даже лишенный смысла.

Когда Леметр защищал идею расширяющейся Вселенной, а Эйнштейн в это не верил, один из них ошибался, а другой был прав. Все достижения Эйнштейна, его слава, его влияние на научный мир, его колоссальный авторитет ничего не стоили. Наблюдения доказали, что он ошибался, – игра окончена. Скромный бельгийский священник оказался прав. Вот почему научное мышление обладает такой силой.

Социология науки проливает свет на сложность процесса научного понимания; как и любое другое начинание человека, этот процесс полон иррациональности, пересекается с борьбой за власть и подвержен всем видам социальных и культурных влияний. И тем не менее, несмотря на все это и вопреки преувеличениям некоторых постмодернистов, культурных релятивистов и им подобных, всё это не умаляет практической и теоретической эффективности научного мышления. Поскольку в итоге в большинстве случаев можно установить со всей ясностью, кто прав, а кто нет. И даже великий Эйнштейн может быть вынужден сказать: «Увы… Я ошибался!» – и он так говорил. Наука – это лучшая стратегия, если мы ценим надежность.

Это не значит, что наука – лишь искусство делать измеримые предсказания. Некоторые философы склонны ограничивать предназначение науки одними только численными предсказаниями. Они упускают суть, поскольку путают инструменты с целями. Проверяемые количественные предсказания – это инструмент верификации гипотез. Цель научного исследования не просто получение предсказаний, она состоит в понимании того, как устроен мир, в разработке и развитии картины мира – концептуальной структуры, позволяющей нам размышлять о нем. Прежде чем стать техничной, наука является эвристичной.

Проверяемые предсказания – это отточенный инструмент, позволяющий нам обнаруживать свое непонимание. Теория без эмпирического подтверждения – это теория, которая еще не сдала свои экзамены. Экзамены никогда не заканчиваются, и теория не подтверждается полностью ни одним, ни двумя, ни тремя экспериментами. Но она последовательно, шаг за шагом наращивает свою надежность по мере того, как ее предсказания оказываются верными. Такие теории, как квантовая механика и общая теория относительности, первоначально приводившие многих в замешательство, постепенно заслужили доверие, когда все их предсказания – даже самые экстравагантные – со временем подтверждались экспериментами и наблюдениями.

Важность экспериментальных доказательств, с другой стороны, не означает, что без новых экспериментальных данных мы не можем двигаться вперед. Часто говорят, что наука развивается только тогда, когда есть новые экспериментальные данные. Если бы это было правдой, у нас было бы мало надежды построить теорию квантовой гравитации, прежде чем мы сможем измерить что-то новое, но это определенно не так. Какие новые данные стали доступны Копернику? Никаких. У него были те же данные, что и у Птолемея. Какие новые данные получил Ньютон? Почти никаких. Главными составляющими для него были законы Кеплера и труды Галилея. Какие новые данные получил Эйнштейн, чтобы открыть общую теорию относительности? Никаких. Для него главными составляющими были специальная теория относительности и ньютоновская теория. Абсолютно неверно, будто физика развивается, только когда получает новые данные.

Достижения Коперника, Ньютона, Эйнштейна и многих других состояли в том, что, опираясь на ранее известные теории, в которых отражалось эмпирическое знание об огромных областях реальности, они находили пути их объединения и переосмысления для усовершенствования общей картины мира.

Это основа, на которой строятся лучшие исследования по квантовой гравитации. Источник знаний, как и всегда в науке, в конечном счете эмпирический. Однако данные, на которых строится квантовая гравитация, – это не новые эксперименты, а теоретические доктрины, которые уже структурировали наши знания о мире в формах, которые лишь отчасти согласованы между собой. «Экспериментальные данные» для квантовой гравитации – это общая теория относительности и квантовая механика. Опираясь на них, пытаясь понять, как можно сделать более согласованной картину мира, в котором есть и кванты, и искривленное пространство, мы пытаемся смотреть вперед, в неведомое.

Нас вдохновляет невероятный успех гигантов – Ньютона, Эйнштейна и Дирака, которые ранее уже оказывались в подобных ситуациях. Мы не претендуем на их масштаб, но у нас есть преимущество – возможность стоять на их плечах, и это позволяет нам смотреть дальше, чем они. Так или иначе, нам ничего не остается, кроме как пытаться это сделать.

Следует отличать улики от строгих доказательств. Улики – это то, что наводило Шерлока Холмса на правильный путь, позволяя ему распутывать загадочные дела. Строгие доказательства – это то, что нужно судье для вынесения обвинительного приговора. Улики подсказывают нам правильный путь к корректной теории. Строгие доказательства позволяют впоследствии с уверенностью говорить, хороша построенная нами теория или нет. Без улик мы будем вести поиски не в тех направлениях. Без доказательств теория не будет надежной.

Все сказанное применимо и к квантовой гравитации. Эта теория находится сейчас в младенческой стадии. Ее теоретический аппарат лишь обретает твердость, а фундаментальные идеи нуждаются в прояснении. Улики хороши и конкретны, но подтвержденных предсказаний пока нет. Эта теория еще не сдала свои экзамены.

Наиболее изученная альтернатива исследованиям, описанным в этой книге, – это теория струн. Большинство физиков, которые занимались теорией струн или связанными с ней теориями, ожидали, что как только начнет работать новый ускоритель частиц в ЦЕРНе (БАК, или Большой адронный коллайдер), сразу будут обнаружены частицы нового типа, которые никогда прежде не наблюдались, но предсказывались теорией, – суперсимметричные частицы. Теория струн нуждается в этих частицах для самосогласованности, вот почему струнные теоретики с нетерпением ждали их обнаружения. С другой стороны, петлевая квантовая гравитация хорошо определена даже без суперсимметричных частиц. Петлевые теоретики склонны думать, что этих частиц может и не существовать.

К огромному разочарованию многих исследователей, суперсимметричные частицы не были обнаружены. Фанфары, которыми было отмечено открытие бозона Хиггса в 2013 году, немного замаскировали это разочарование. Суперсимметричных частиц не оказалось в том диапазоне энергий, где многие струнные теоретики ожидали их найти. Это ничего не доказывает окончательно – об этом речи пока нет, – но природа подбросила небольшой аргумент в пользу петель.

За последние годы в области фундаментальной физики было получено три крупных экспериментальных результата. Первым из них стало открытие бозона Хиггса в ЦЕРНе (рис. 9.1). Второй – это измерения, сделанные спутником «Планк» (рис. 9.2), данные которого, подтверждающие стандартную космологическую модель, также были опубликованы в 2013 году. Третий результат – это впервые зарегистрированные гравитационные волны, о чем было объявлено в начале 2016 года. Эти три сигнала природа подала нам за последнее время.

Между этими тремя результатами есть нечто общее – полное отсутствие неожиданностей. Это не умаляет их значимости, скорее наоборот, придает им более глубокий смысл. Открытие бозона Хиггса – это железобетонное подтверждение правильности идей, стоящих за Стандартной моделью элементарных частиц, основанной на квантовой механике. Это подтверждение предсказания, сделанного тридцать лет назад. Измерения «Планка» – это надежное подтверждение Стандартной космологической модели, основанной на общей теории относительности с космологической постоянной. Обнаружение гравитационных волн – это тоже впечатляющее подтверждение общей теории относительности, созданной сто лет назад. Все три результата получены благодаря невероятным технологическим достижениям и плотному сотрудничеству сотен ученых, занятых углублением нашего понимания строения Вселенной. Ничего неожиданного.

Рис. 9.1. Событие в ЦЕРНе, которое показывает образование частицы Хиггса

Рис. 9.2. Спутник «Планк»

Однако такое отсутствие сюрпризов само по себе воспринимается как сюрприз, поскольку многие надеялись встретить что-то неожиданное, некую «новую физику», еще не описанную устоявшимися теориями. Они предполагали, что в ЦЕРНе будет открыта суперсимметрия, а не бозон Хиггса. Также многие ждали, что «Планк» обнаружит отклонения от Стандартной космологической модели, которые будут свидетельствовать в пользу космологических моделей, альтернативных тем, что основаны на общей теории относительности.

Но нет. Природа подтверждает простую версию: общая теория относительности и квантовая механика, а в рамках квантовой механики – Стандартная модель.

Сегодня многие физики-теоретики ищут новые теории путем произвольного выбора гипотез: «Представим, что…» Не думаю, что на таком пути в науке можно получить хорошие результаты. Наша фантазия слишком ограниченна, чтобы «представить», как может быть устроен мир, если только мы не вдохновляемся в наших поисках теми уликами, которые есть в нашем распоряжении. Имеющиеся улики – наши подсказки – это либо показавшие свою успешность теории, либо новые экспериментальные данные, и ничего иного. Именно в этих данных и теориях следует пытаться открыть то, что пока недоступно нашему воображению. Именно так действовали Коперник, Ньютон, Максвелл и Эйнштейн. Они никогда не пытались просто угадать новую теорию, в отличие от того, как, на мой взгляд, пытаются действовать сегодня многие физики-теоретики.

Три названных мною экспериментальных результата говорят голосом самой Природы: «Кончайте выдумывать новые поля и странные частицы, дополнительные измерения, другие симметрии, параллельные вселенные, струны и все тому подобное. Детали пазла проще: общая теория относительности, квантовая механика и Стандартная модель. Следующий шаг вперед может быть “лишь” вопросом их правильного комбинирования».

Это обнадеживающее сообщение для сообщества петлевой квантовой гравитации, поскольку гипотезы, лежащие в основе этой теории – общая теория относительности, квантовая механика, совместимость со Стандартной моделью и ничего больше. Радикальные концептуальные выводы – кванты пространства, исчезновение времени – это не смелые гипотезы, а рациональные следствия, вытекающие из принятия всерьез фундаментальных положений наших лучших теорий.

Еще раз подчеркну: у нас нет надежных доказательств. Супер-симметричные частицы все же могут существовать, например, в масштабах, которых мы еще не достигли, и они могут существовать, даже если верна петлевая теория. Суперсимметрия не проявилась там, где ее ожидали, в результате чего сторонники теории струн немного приуныли, а у петлевых теоретиков настроение приподнялось, но все это по-прежнему вопрос улик, никаких твердых доказательств пока нет.

Чтобы найти более надежные подтверждения этой теории, надо посмотреть в другую сторону. Ранняя Вселенная открывает перед нами окно для предсказаний, которые способны подтвердить теорию. Или же опровергнуть ее. Причем у нас есть основания надеяться, что произойдет это в не столь отдаленном будущем.

Если у нас есть уравнения, описывающие переход Вселенной через квантовую фазу, мы можем рассчитать влияние квантовых явлений на Вселенную, какой мы ее наблюдаем сегодня. Вселенная заполнена излучением: это море фотонов, сохранившихся в космосе с ранней горячей фазы, остаточное свечение от прежнего высокотемпературного состояния.

Электромагнитное поле в необозримом космическом пространстве между галактиками покрыто рябью подобно морской поверхности после сильного шторма. Это волнение, заполняющее всю Вселенную, называется реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоном. В прошлые годы его изучали спутники COBE и WMAP, а совсем недавно – «Планк». Картина ничтожных флуктуаций этого излучения представлена на рис. 9.3. Особенности структуры этого излучения рассказывают нам об истории Вселенной, а в деталях этой структуры могут быть скрыты следы ее квантового рождения.

Одно из наиболее активных направлений исследования в петлевой квантовой гравитации – это изучение того, как на этих данных отражается квантовая динамика первичной Вселенной.

Рис. 9.3. Флуктуации космического микроволнового фона. Это изображение самого старого объекта во Вселенной, доступного нашим наблюдениям. Флуктуации, которые здесь видны, были порождены 14 миллиардов лет назад. В их статистике мы надеемся найти подтверждение предположениям квантовой гравитации

Результаты пока предварительные, но вдохновляющие. Дополнительные вычисления и более точные измерения должны сделать возможной проверку этой теории.

В 2013 году Абэй Аштекар, Айвен Агулло и Уильям Нельсон опубликовали статью, в которой рассчитали, что при некоторых дополнительных предположениях статистическое распределение флуктуаций этого космического излучения должно демонстрировать влияние первичного отскока: широкоугольные флуктуации должны отличаться от тех, которые предсказываются теорией, не принимающей во внимание кванты. Современное состояние измерений представлено на рис. 9.4, где черная линия соответствует предсказанию Аштекара, Агулло и Нельсона, а серые точки – данным измерений. Пока данных недостаточно, чтобы оценить, имеет ли место предсказанный авторами загиб черной линии вверх. Но измерения становятся все более точными. Ситуация продолжает меняться. Те, кто, как и я, всю жизнь занимаются поисками понимания секретов квантового пространства, с большим вниманием, тревогой и надеждой следят за непрерывным ростом наших возможностей наблюдать, измерять и вычислять и ждут момента, когда природа наконец ответит, правы мы или нет.

Рис. 9.4. Возможное предсказание спектра фонового излучения в петлевой квантовой гравитации (сплошная линия) в сравнении с разбросом текущих экспериментальных данных (точки). С разрешения А. Аштекара, А. Агулло и У. Нельсона

Следы этого колоссального первичного разогрева должны также оставаться в самом гравитационном поле. Гравитационное поле, то есть само пространство, тоже должно быть покрыто рябью подобно поверхности моря. Поэтому должно существовать космическое гравитационное фоновое излучение – еще более старое, чем электромагнитное, поскольку гравитационные волны в меньшей степени подвержены влиянию вещества, чем электромагнитные, и способны без искажений распространяться даже тогда, когда Вселенная была слишком плотной, чтобы через нее могли проходить электромагнитные волны.

Мы смогли непосредственно наблюдать гравитационные волны с помощью детектора LIGO. Его два плеча длиной несколько километров расположены под прямым углом друг к другу и в них с помощью лазерных лучей измеряется расстояние между тремя фиксированными точками. Когда проходит гравитационная волна, пространство едва заметно растягивается и сжимается, и лазеры способны зафиксировать эти ничтожные вариации. Наблюдавшиеся гравитационные волны были порождены астрофизическими событиями – столкновениями черных дыр. Эти явления описываются общей теории относительности без обращения к квантовой гравитации. Однако более масштабный эксперимент LISA, находящийся сейчас на стадии рассмотрения, сможет проделывать то же самое в гораздо больших масштабах. Он предполагает выведение трех спутников, причем не на околоземную, а на околосолнечную орбиту, как если бы они были малыми планетами, сопровождающими Землю по ее орбите. Эти три спутника будут связаны лазерными лучами, измеряющими расстояния между ними, или, лучше сказать, изменения этих расстояний при прохождении гравитационной волны. Если эксперимент LISA будет запущен, он сможет регистрировать не только гравитационные волны, порожденные звездами и черными дырами, но и диффузный фон первичных гравитационных волн, возникших в период, близкий к Большому взрыву. Эти волны должны нести информацию о квантовом отскоке.

В этих крошечных неоднородностях пространства мы сможем обнаружить следы событий, которые происходили 14 миллиардов лет назад при возникновении нашей Вселенной, и подтвердить наши выводы о природе пространства и времени.