В гамбургском ресторане «Херлин» разговаривали два человека. В 1920-е вся городская элита приезжала сюда, в ресторан элегантного роскошного отеля Vier Jahreszeiten на берегу озера Альстер. Прийти предложил Отто Штерн. Штерн радовался приятным мелочам — хорошей еде, хорошему вину и хорошей компании. Вольфганг Паули мог быть менее разборчив. Конечно, ему нравилось очарование этого места, но отсюда было далеко до захудалого кабаре в печально известном районе Санкт-Паули, где он выпивал накануне вечером. Там он ввязался в очередную стычку, и над правым глазом все еще был заметен порез. Он сказал Штерну, что упал, — Стерну незачем знать больше. Днем Паули вел жизнь профессора-стоика. По ночам он становился пьющим и скандальным повесой.

Пока физики допивали бренди, Штерн взволнованно рассказывал о новой идее, над которой работал: «Говорю тебе, Вольфганг, энергия нулевой точки реальна. Я рассчитал ее влияние на давление паров изотопов неона». Паули уставился на друга неподвижным взглядом. Он сделал глоток бренди, а Штерн продолжал: «Если бы нулевой энергии не было, как ты говоришь, разница в давлении паров для неона-20 и неона-22 была бы огромной. Астон легко разделил бы их, но мы знаем, что он не смог!»

«А как же гравитация, Отто?» — почти без эмоций спросил Паули. Ответа не последовало. Паули достал ручку и блокнот. «Тогда давайте посчитаем». Он начал выписывать какие-то цифры, а Штерн с интересом наблюдал. Через пару минут Паули торжествующе поднял голову. «Видишь, Отто! Если бы энергия нулевой точки была реальной, мир не доходил бы даже до Луны!»

Описанная сцена приправлена драматургическими вольностями, хотя некоторые элементы истории верны. Несомненно, Штерн был жизнелюбом, которого можно было встретить только в лучших ресторанах; иногда он летал из Гамбурга в Вену только для того, чтобы пообедать. Серьезный контраст с Паули, который, как известно, часто посещал бары и бордели Репербана, когда оказывался вне поля зрения друзей и коллег. Верно и то, что Стерн сделал все возможное, чтобы убедить своего друга в нулевой энергии, но Паули был непреклонен. Знаменитый расчет Паули и его уничтожающее заключение появились где-то в середине 1920-х, как утверждали два его помощника вскоре после смерти ученого в 1958 году.

Но о чем спорили Паули и Стерн? Что это за нулевая энергия?

Как и у Волан-де-Морта, у нее много имен: это энергия нулевой точки, энергия вакуума, космологическая постоянная. Как и Волан-де-Морт, она должна уничтожить Вселенную в момент творения. Не дать возможности сформироваться звездам и планетам. Лишить вас и меня шанса на рождение. И все же каким-то образом мы это сделали. Природа защищает нас от этого темного властелина, этой нулевой энергии и ее жажды устроить Армагеддон. Но никто не знает, как именно. Наше космическое выживание — величайшая загадка всей современной физики.

Энергия нулевой точки — это энергия пустого пространства. Представьте уголок Вселенной, который посетили межгалактические судебные приставы. Они выносят оттуда все — все звезды, планеты, скопления газа и комки темной материи. Они не оставляют ничего, кроме пустоты. Нет атомов и нет света. Заброшенное и пустое место. И все же в этом вакууме есть то, до чего судебные приставы не могут добраться. Там есть энергия — энергия нулевой точки; энергия, хранящаяся в самом вакууме. Несмотря на все свои усилия, судебные приставы не могут заглушить вакуум. Квантовая механика требует, чтобы это был бурлящий бульон из виртуальных частиц, постоянно появляющихся и исчезающих, касающихся мира своей энергией, пусть только на мгновение.

Чтобы понять это, сходите на кухню и возьмите большую миску. Бросьте в нее маленький шарик, например стеклянный или мяч для настольного тенниса. Что вы видите? Без сомнения, мяч немного покатается по миске, а потом уляжется на дне. Если его не трогать, вы ожидаете, что шарик останется точно в этом месте, если не считать возможных покачиваний от тепловых движений воздуха. А если вы охладите кухню до абсолютного нуля и удалите весь окружающий воздух? Шарик вообще не должен двигаться, верно? Он не должен шевелиться.

А он шевелится.

Причина — в квантовой механике и знаменитом принципе неопределенности Гейзенберга. Вспомните, что между положением и импульсом частицы есть обратная зависимость. Чем точнее мы знаем ее положение, тем хуже мы знаем ее импульс, и наоборот. Уменьшим масштабы в нашем эксперименте и бросим очень легкую частицу в крошечную миску. Если мы можем сказать, что частица покоится неподвижно на дне, это значит, что мы точно знаем и ее положение, и ее импульс. Это противоречит принципу неопределенности, поэтому что-то должно меняться. Частица должна совершать какое-то небольшое квантовое колебание. Она никогда не может полностью покоиться.

С этой идеей мы возвращаемся в наш пустой уголок Вселенной. До появления судебных приставов он был наполнен частицами, которые вступили в сговор и создали планеты, звезды и маленьких зеленых человечков. Там имелись электроны и фотоны, кварки и глюоны, калибровочные бозоны и бозоны Хиггса, а также все прочие частицы, включая те, что пока нам неизвестны. Это была просто рябь в фундаментальных полях, которая исчезла, когда пришел судебный пристав и все отключил. Если представить эти поля в виде океана, а частицы — в виде ряби на его поверхности, то задача судебных приставов состоит в том, чтобы прийти и заставить океан замолчать — сделать его идеально ровным.

Но этот океан никогда не бывает по-настоящему ровным. Благодаря принципу неопределенности Гейзенберга всегда существуют квантовые колебания. То же и с полями в вакууме — они никогда не бывают полностью потухшими. Всегда есть крошечные небольшие возмущения. Важно понимать, что эти возмущения — не реальные частицы, потому что в этом случае судебный пристав-исполнитель схватил бы их и унес. Значит, они должны быть виртуальными. , когда бозон Хиггса путешествовал из Лондона в Париж. Напомним, что хиггсон уехал из Лондона как хиггсон и прибыл в Париж как хиггсон, но о том, что он делал в дороге между городами, можно только догадываться. В одном варианте он оставался бозоном Хиггса на протяжении всей поездки; в другом же он некоторое время был одет как электрон-позитронная пара. Фейнман сообщил нам, что любая частица при движении исследует все пути и возможности. Каждый из этих путей оставляет свой след на бозоне Хиггса, придавая ему некоторую массу.

То же и с вакуумом. Если мы вернемся к нашему пустому уголку Вселенной, то увидим, что он пуст сначала утром, а потом опять через какое-то время. Временной интервал не имеет особого значения. Важно то, что вы начинаете с пустоты и заканчиваете пустотой, а вот о том, что происходит посередине, можно только догадываться. Вакуум мог легко поменять костюм, как это делал бозон Хиггса, и позволить виртуальным частицам появляться и исчезать, как взрывная карамель во рту. Эти виртуальные частицы оставляют свой след в вакууме — точно так же, как оставляли его на хиггсоне. Они придают ему массу. И энергию — много энергии.

Чтобы выяснить, сколько энергии скрыто в вакууме, нам нужно разбить его на крошечные фрагменты, словно создавая величественный космический пазл в трехмерном пространстве. Как мы увидим, размер этих кусочков радикально повлияет на результат. Если нас интересует только физика, которую можно увидеть невооруженным глазом, мы можем представить такие фрагменты в виде ящичков размером чуть меньше миллиметра. Но мы должны быть более амбициозными. Когда Паули размышлял за обедом об этом вопросе, он сделал кусочки пазла размером с классический радиус электрона — несколько фемтометров в поперечнике. Это гораздо меньше, чем вы могли бы надеяться увидеть невооруженным глазом; примерно в 10 000 раз меньше размера атома. Во времена Паули это был край физики, граница того, что ученые пытались понять.

Как всегда в релятивистском мире, вместе с кратчайшим расстоянием появляется кратчайшее время. Если наши кусочки пазла имеют размер в несколько фемтометров, как у Паули, то самое короткое время, которое можно реально рассматривать, составляет около одной сотой от триллионной доли наносекунды. Это невообразимо малое время требуется свету, чтобы пересечь поперек один из наших ящичков. Мы используем этот временной интервал, чтобы установить ограничение на время появления и исчезновения виртуальных частиц из вакуума. Мы не будем рассматривать частицы, которые появляются на меньшее время, поскольку это соответствовало бы делению пространства на меньшие фрагменты пазла. Такие кратковременные сотрясения питают вакуум за счет окружающей квантовой энергии — точно так же, как это было в случае бозона Хиггса. Те частицы, что появляются на самое короткое время, дают вакууму наибольшую энергию, и их лихорадочный выход на сцену с огромной частотой выбрасывает столько энергии, сколько позволяет принцип неопределенности. Получается около пяти триллионных джоуля на каждый наш маленький ящичек. Может показаться, что это не так уж и много, но ящички крохотные, поэтому плотность энергии опасно высока. В каждой кофейной чашке пустого пространства обнаруживается почти сто тысяч триллионов триллионов джоулей; такого количества энергии достаточно, чтобы испарить все океаны Земли.

Но мы не должны здесь останавливаться.

С тех пор как Паули провел свои экстравагантные расчеты, прошел почти век, и мы уже научились смотреть намного глубже. Столкновения частиц в ЦЕРН отодвинули границу в 10 000 раз дальше, чем было у Паули. Граница экспериментальной физики теперь лежит на непостижимо малом расстоянии около 10^–19 метров. Если мы сделаем наши кусочки пазла настолько крохотными, то сможем считать, что виртуальные частицы в вакууме появляются и исчезают каждую миллиардную долю от миллиардной доли наносекунды. Вакуум продолжает поглощать всю эту квантовую энергию в огромных количествах. Пустая кофейная чашка теперь обладает достаточной энергией, чтобы взорвать целую планету в стиле «Звездных войн», разнеся ее на куски, которые с огромной скоростью разлетятся шрапнелью по всем уголкам Вселенной. Причем сделать это более 100 млрд раз, уничтожив все планеты в галактике.

Но мы не должны здесь останавливаться.

Столкновения в ЦЕРН — это лишь граница экспериментальной физики, которая определена рамками финансирования и технологий. Но сама физика на этом не останавливается. Она двигается дальше. Она подводит нас к краю, точке, где начинают исчезать все представления о пространстве и времени. Кусочки пазла оказываются величиной с планковскую длину, в миллион миллиардов раз с лишним меньше границы современных экспериментов. Последствия для вакуума ужасны. Частицы в пустом пространстве появляются и исчезают за планковское время, каждые 10^–35 секунд. Окружающие квантовые энергии становятся поистине чудовищными, и вакуум поглощает их с ненасытным ликованием. В каждом литре пустого пространства мы должны обнаружить гугол гигаджоулей энергии. Ого! В каждой кофейной чашке вакуума достаточно энергии, чтобы ликвидировать все планеты в наблюдаемой Вселенной снова, снова, снова и снова, уничтожив всё более триллиона триллионов триллионов триллионов раз.

Испытываете ли вы страх, осознавая, что эти колоссальные энергии могут быть повсюду вокруг вас и даже внутри вас, в пустом пространстве между вашими атомами? Как вы живете с этим монстром внутри? Истина в том, что без гравитации не о чем беспокоиться. Неважно, сколько энергии таится в вакууме; мы все равно не можем превратить ее в оружие и использовать силы, способные уничтожать планеты. В реальности мы вообще не можем использовать энергию вакуума. Причина в том, что она везде одинакова. Чтобы произошло что-то интересное, вам нужна разница в энергиях — перепад, градиент, — а в случае истинной базовой энергии вакуума разницы просто нет. Энергия пустого пространства — это нулевая точка, базовая линия, от которой измеряется все остальное. Ее нельзя использовать для толчка или тяги. Она просто не может затронуть вас — без гравитации.

А вот с гравитацией она разгуляется.

При таком огромном количестве энергии в пустом пространстве Вселенная, подчиняющаяся законам Эйнштейна, была бы раздавлена собственным весом. Мир не только «не доходил бы до Луны», как сказал Паули, он даже не добрался бы до размера атома. Он оказался бы разорванным пространством-временем, свернутым и искривленным, простирающимся во всех направлениях чуть больше, чем на планковскую длину.

Эйнштейн объяснил нам, что на самом деле притягивает энергия, а не масса. Фотон от далекой звезды, двигающийся мимо Солнца, изгибает свою траекторию. Солнце притягивает не его массу, потому что у фотона ее нет. Оно притягивает его энергию. В мире Эйнштейна все формы энергии танцуют гравитационный вальс. Танцевать должны все: Солнце, планеты, вы, я, инопланетный барсук, левиафаны черных дыр и даже сам вакуум.

Энергия вакуума вездесуща, неизменна в пространстве и во времени. Вот почему ее иногда называют космологической постоянной. Как и любая энергия, она искривляет пространство-время, в котором живет. Когда энергия положительна, вокруг каждого из нас формируется . Чем больше энергии скрыто в вакууме, тем ближе этот горизонт и тем меньше наш мир. Если бы мы оценили энергию вакуума с помощью пазла из фрагментов того размера, что выбрал Паули, этот горизонт оказался бы примерно в 237 километрах. Мир не достал бы не только до Луны, но даже до Международной космической станции. По мере того как мы улучшаем нашу оценку (делаем кусочки пазла все меньше), горизонт приближается. Для кусочков пазла размером с планковскую длину горизонт находится прямо перед вами, примерно на расстоянии планковской длины. Это Вселенная, побежденная пустотой, раздавленная и смятая под тяжестью этого ничто.

Это не наша Вселенная.

Оглядитесь. Горизонт нашей Вселенной вовсе не рядом с вами. , почти в триллионе триллионов километров. Наша Вселенная медленно ускоряется, что-то невидимое раздвигает далекие галактики. Мы называем это темной энергией, но это всего лишь термин. У физиков есть популярная гипотеза, что это давление вакуума — энергия нулевой точки, скрытая в пустом пространстве. Однако это давление чрезвычайно слабое. Чтобы соответствовать скорости, с которой далекие галактики удаляются от нас, энергия пустоты должна быть распределена довольно экономно — менее триллионной доли джоуля на каждый литр пространства. Совершенно не похоже на те оценки пазла, которые мы сделали с помощью квантовой теории. Кофейная чашка, наполненная настоящим вакуумом, не содержит достаточно энергии, чтобы уничтожить планету или вскипятить океаны. В реальности вам понадобится энергия не менее 10 000 чашек только для того, чтобы раздавить мимариду, а она, как вы помните, самое маленькое насекомое в мире.

Это смущает.

Квантовую теорию поля — микроскопическое описание частиц и полей — часто называют самой точной теорией в истории человечества, и не без оснований. Некоторые из ее предсказаний (например, так называемый аномальный магнитный момент электрона) были проверены и подтверждены с точностью до одной триллионной. Но, скажем, истинное значение плотности энергии вакуума составляет 10^–120 от той величины, которую предсказывает эта замечательная теория. Если бы вы записали 10^–120 как десятичную дробь, она выглядела бы примерно так:

Как мы знаем, такое расхождение между ожиданием и реальностью не может появиться в природе без очень веской причины. Так почему же оно появилось? Наша великолепная лучшая теория предсказывает вакуум, каждый литр которого наполнен гуголом гигаджоулей энергии, а природа говорит нам, что там едва ли наберется пикоджоуль. Это самый неточный прогноз во всей физике. Конечно, мы должны быть благодарными такой ситуации. Если бы наши прогнозы оказались верными, Вселенная была бы согнута и сломана гравитацией, превратившись в космического карлика, имеющего ничтожную протяженность в пространстве и времени и не способного поддерживать звезды и планеты, которые необходимы для существования разумной жизни. Однако наши прогнозы не оправдываются. Нам посчастливилось жить в огромной и старой Вселенной, где энергия вакуума составляет 10^–120 от ожидаемой, где есть крошечное число, которое мы просто не понимаем.

Это самое смущающее число в фундаментальной физике, впечатляющее несоответствие между современными расчетами и реальностью, которую мы видим вокруг себя. Общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля — лучше всего проверенные теории XX века, и все же, когда мы складываем их вместе, мы сталкиваемся с напастью — неприятностью, которую называют проблемой космологической постоянной.

История космологической постоянной начинается с Планка и Nullpunktsenergie. Это название вызывает образ какой-нибудь немецкой рок-группы, игравшей грохочущую музыку в подвале в середине 1980-х. Однако это слово не имеет ничего общего с потом, длинными волосами и электрогитарами. Это энергия нулевой точки, впервые введенная Планком во второй его квантовой теории, которая была создана в годы, предшествовавшие Первой мировой войне. . Тогда Планк спас нас от ультрафиолетовой катастрофы, разделив энергию на порции. Идея прекрасно сработала (и она была верной), но Планка это не заботило. Ученый никогда не чувствовал себя комфортно с идеей порционности и как-то заметил, что если бы мог отказаться от нее, то сделал бы это. В итоге он сумел отказаться наполовину. При второй попытке создать квантовую теорию Планк заявил, что излучение по-прежнему должно испускаться порциями, но не обязательно таким же образом поглощаться. Предложенное отсутствие симметрии сейчас кажется нам уродливым, но на заре квантовой теории оно казалось несколько менее радикальным, чуть более консервативным. Однако за него пришлось заплатить свою цену. Чтобы заставить работать свою альтернативную квантовую теорию, Планку понадобилась некоторая остаточная энергия даже в нулевой точке, когда вы охладили все до абсолютного нуля. Ему потребовалась Nullpunktsenergie.

Вторая квантовая теория Планка никогда не затмит первую по той причине, что она неверна. Тем не менее идея нулевой энергии привлекла внимание Эйнштейна и его коллеги Отто Штерна. Примерно в то же время немецкий химик Арнольд Эйкен получил определенные данные об удельной теплоемкости молекул водорода. Детали не имеют значения. Главное, Эйнштейн и Штерн показали, что энергия нулевой точки может помочь понять эти данные. Однако симпатии Эйнштейна длились недолго. Через несколько лет он стал яростно противиться самой идее нулевой энергии. «Ни один теоретик, — фыркал он, — не может… произносить слова “энергия нулевой точки”, не расплываясь в полусмущенной, полуиронической улыбке». Отношение Эйнштейна изменил неуравновешенный австрийский физик Пауль Эренфест.

Эренфест смог разобраться с данными Эйкена вообще без нулевой энергии, используя только исходную квантовую теорию Планка — ту, которая, как мы сейчас знаем, верна. Эйнштейн уважал Эренфеста и согласился, что если вам что-то не нужно, то с этим незачем и возиться. Они были также близкими друзьями. Здесь стоит остановиться на минуту и познакомиться с историей Эренфеста, возможно самой трагичной во всей физике. Он был учеником Больцмана в те последние годы, когда великий физик мучился неверием в свои силы. Самоубийство Больцмана произошло всего через два года после того, как Пауль защитил диссертацию. Эренфест начал создавать себе репутацию не только великого физика, но и величайшего преподавателя своего поколения. «Он читает лекции как мастер, — заявлял Арнольд Зоммерфельд, возможно самый влиятельный физик Германии. — Я почти никогда не слышал, чтобы кто-нибудь говорил с таким увлечением и блеском». Но при всем этом блеске Эренфеста терзали более серьезные демоны, чем те, что сломили его наставника. И Эйнштейн это знал. В августе 1932 года он писал в Лейденский университет, где работал Эренфест. Он беспокоился о своем друге. У Эренфеста были проблемы в браке, и он махнул рукой на физику. Эйнштейн видел, что друга одолевает тьма депрессии. Год спустя Эренфест умер.

25 сентября 1933 года он отправился в Институт для больных детей в Амстердаме, чтобы встретиться со своим пятнадцатилетним сыном Василием. Василий страдал синдромом Дауна, и после прихода нацистов к власти его вывезли из Германии. Когда Эренфест встретился с ним в приемной, он достал пистолет и выстрелил ему в голову. Через несколько мгновений он убил и себя.

Именно Эренфест яростно оттолкнул Эйнштейна от идеи нулевой энергии. Вполне возможно, что Эренфест тем самым откинул его назад. Между началом 1920-х и войной что-то произошло, и Эйнштейн снова увлекся этой идеей. Мы не знаем, что случилось. Однако точно понимаем, что они с Эренфестом переписывались, и Эйнштейн предположил, что энергия нулевой точки может объяснить одно весьма любопытное свойство гелия. Если какой-нибудь химический элемент охлаждается, его молекулы теряют свою кинетическую энергию и жидкая фаза постепенно уступает место твердой. Но с гелием этого никогда не происходит — по крайней мере, при атмосферном давлении. Даже если вы охладите его до абсолютного нуля, он не станет твердым. И Эйнштейн был в чем-то прав: причина связана с нулевой энергией. Она наделяет гелий своего рода внутренним давлением, заставляя его расширяться со снижением плотности и предотвращая образование жестких структур.

В начале 1920-х специалисты по молекулярной химии (например, Роберт Малликен из Гарварда) видели все больше доказательств существования нулевой энергии, но после дискредитации второй квантовой теории Планка неясен был ее источник. Ситуация изменилась в 1925 году, когда квантовая механика наконец вступила в эпоху зрелости. Расцвет квантовой механики — это история о двух поездках на природу. Я уже рассказывал, как Шрёдингер ускользнул в Альпы со своей любовницей и придумал уравнение, которое потрясло мир физики. Но шестью месяцами раньше Вернер Гейзенберг также уехал из города на остров Гельголанд в Северном море. В отличие от Шрёдингера, он бежал не от жены, а от цветов и лугов.

В истории Гейзенберга нет бульварной скандальности, но она не менее важна. Поздней весной 1925 года у него случился приступ сенной лихорадки; ученый уехал на остров, чтобы спастись от аллергии, и поселился в пансионе с видом на дюны. Его лицо настолько отекло, что хозяйка пансиона предположила, будто он подрался, и пообещала вылечить его. На острове почти ничто не отвлекало молодого физика от работы, разве что редкие прогулки и купание в море. Он мог спокойно размышлять об атоме водорода, пытаясь понять происхождение его спектральных линий — порций энергии, которые он может поглощать и излучать. Его одержимость этой проблемой вскоре привела к бессоннице, однако в жаркую летнюю ночь наконец произошел прорыв. «Было около трех часов ночи, когда передо мной лежал окончательный результат вычислений, — вспоминал Гейзенберг. — Поначалу я был глубоко потрясен. Я был так взволнован, что не мог думать о сне. Поэтому я вышел из дома и стал ждать восхода солнца на вершине скалы».

Гейзенберг понял, что электроны в атоме не имеют четких орбит, как первоначально предполагал Бор. Когда электроны находились далеко от ядра, это походило на правду. Ближе к ядру все оказывалось более размытым. Вы не могли достоверно сказать, находится ли электрон на той или иной орбите. Шрёдингер уловил эту размытость с помощью интуитивной картины волн, а вот Гейзенберг использовал более абстрактный математический язык матриц. Но это всего лишь два разных описания одного и того же — волшебного мира квантовой механики, где все оказывается игрой случая.

Работа Гейзенберга оказалась настоящим шедевром. Как Ньютон изобрел математический анализ для описания механики макромира, который мы видим каждый день, так и Гейзенберг изобрел новую математику для описания микромира, который мы не можем видеть. Работать с ней было не так просто, как с теорией Шрёдингера, но она сумела передать абстрактную красоту квантового мира с меньшим количеством компонентов.

В том же 1933 году, когда Гейзенбергу вручили Нобелевскую премию, к власти в Германии пришли нацисты. Они нацелились на находившихся на государственной службе людей, которые были неарийцами или политически неблагонадежными. Многие ученые стали жертвами этой кампании или подали в отставку в знак протеста. Но Гейзенберг предпочел промолчать. Он думал, что Гитлер — это ненадолго, поэтому лучше просто не высовываться. Однако скоро мишенью стал и он. Нацисты считали, что в абстрактном математическом подходе к науке, который развивался в начале XX века, еврейское влияние слишком велико. Когда Гейзенберга выдвинули на должность профессора в Мюнхене, он оказался под прицелом Йоханнеса Штарка — лауреата Нобелевской премии по физике и ярого нациста. Старк поставил свою подпись под статьей, в которой Гейзенберг объявлялся «белым евреем» и «Осецким в физике» (Карл Осецкий — немецкий журналист и пацифист, оказавшийся в нацистском концентрационном лагере). Здесь вмешалась мать Гейзенберга, которая была знакома с матерью Генриха Гиммлера. Гиммлер объявил о компромиссе: ученого избавят от дальнейших личных нападок, но работу в Мюнхене отдадут другому кандидату.

Гейзенберг остался в Лейпциге. У него не было недостатка в предложениях поработать в других местах, в частности в США, но он чувствовал, что обязан оставаться в родной стране независимо от ее политики. Во время войны он играл ведущую роль в немецкой программе ядерных исследований. Некоторые считают, что Гейзенберг преднамеренно дискредитировал наиболее зловещие аспекты программы, хотя в этом вопросе полной ясности нет. Во время визита в Данию в 1941 году он огорчил Нильса Бора, затронув тему исследований ядерного оружия. Позже Гейзенберг утверждал, что Бор неправильно его понял. Год спустя Гейзенберг встретился с Альбертом Шпеером, нацистским министром вооружений, и посоветовал больше не проводить никаких исследований в области ядерного оружия. Однако он продолжал экспериментировать с ядерной энергией и, несомненно, стремился повысить научную репутацию Германии.

Когда я писал эту главу, я отдыхал с семьей в Германии, на ферме в Шварцвальде. Из-за изменения планов нам потребовалось переночевать еще один раз, и я забронировал номер в старинном замке на опушке леса с видом на живописный городок Хайгерлох. По совпадению этот отель сыграл определенную роль в истории квантовой физики. В пещерах под замком, вдали от бомб, падавших на Берлин, Гейзенберг и его коллеги построили ядерный реактор. Это была последняя отчаянная попытка выиграть гонку за атомную энергию, когда война уже подходила к концу. Пещера теперь стала музеем, в котором представлена полноразмерная модель реактора: кубы урана, подвешенные на цепях в чане с тяжелой водой (содержащей дейтерий вместо водорода). Нейтроны, замедленные атомами дейтерия, использовались для расщепления ядер урана; при делении ядер появлялись новые нейтроны, расщеплявшие новые ядра. Цель состояла в том, чтобы вызвать самоподдерживающуюся цепную реакцию, которая высвободит огромное количество атомной энергии. Гейзенберг и его группа были близки к успеху: если бы урана в активной зоне было всего на 50 процентов больше, реактор бы заработал. К тому времени, когда войска союзников обнаружили пещеру, Гейзенберг уехал из Хайгерлоха на велосипеде в баварскую деревушку к своей семье. Урановые слитки нашли закопанными в поле рядом с замком.

Вскоре союзники отыскали Гейзенберга в его баварском доме, хотя эта территория все еще находилась под контролем Германии, и вывезли в поместье Фарм-Холл в Англии вместе с другими немецкими учеными. Британская разведка тайно записывала разговоры, которые происходили в Фарм-Холле; эти записи обнародованы в 1992 году. Хотя реактор Гейзенберга был близок к рабочему состоянию, зафиксировано, как он говорил другим ученым, что никогда всерьез не размышлял над бомбой. «Я был абсолютно убежден, что можно создать урановый источник энергии, — сказал он, — но я никогда не думал, что мы сделаем бомбу, и в глубине души я был очень рад, что это не бомба, а источник энергии. Я должен признать это».

Именно Гейзенберг первым понял источник нулевой энергии, который возникает из его блестящей трактовки квантовой механики. Он показал, что квантовый осциллятор — небольшое квантовое колебание — никогда не может быть совсем без энергии. Физика фундаментальных частиц — на самом деле физика этих крошечных колебаний. Всякий раз, когда у вас есть настоящие частицы, эти колебания находятся в возбужденном состоянии. Когда вы в вакууме, колебания ослабевают настолько, насколько позволяет принцип неопределенности, и, как показал Гейзенберг, энергия не исчезает.

Но реальна ли физически эта энергия вакуума?

Геккон, бегающий по потолку, сказал бы «да». Предполагается, что его волшебная способность ходить по стенам зависит от изменений энергии вакуума и силы квантового вакуума. Оказывается, энергия вакуума зависит от формы его окружения. Мы знаем, что энергия нулевой точки исходит от ряби виртуальных частиц, которые то появляются, то исчезают. Однако важно, что эта рябь зависит от размера и формы края вакуума. Аналогичный эффект вы наблюдаете для волн на водоеме: они зависят от формы бассейна, озера или даже океана. Если вы измените край вакуума, вы трансформируете и эту виртуальную рябь, а это может изменить энергию нулевой точки. Это означает, что вакуум будет толкать и тянуть окружающие его стены, пытаясь изменить рябь и понизить уровень энергии. В результате возникает так называемая сила Казимира, названная в честь голландского физика Хендрика Казимира — ученика Эренфеста. Когда стенки вакуума далеко друг от друга, эта сила мала, но если они микроскопически близки, то ее можно измерить. (Именно это в 1997 году сделали Стив Ламоро и его группа в Лос-Аламосской национальной лаборатории.) Аналогичным образом изменения энергии нулевой точки могут привести к возникновению так называемых сил Ван-дер-Ваальса между атомами и молекулами. Это возвращает нас к геккону. Некоторые биологи считают, что гекконы для прилипания к потолку используют вандерваальсовы силы — благодаря нулевой энергии, изменяющейся в вакууме между микроскопическими выступами на подошвах их ног.

Такие поддающиеся измерению эффекты дают нам уверенность в том, что теория нулевых энергий верна, но истина состоит в том, что измеряются только локальные изменения — флуктуации нулевой энергии, которые происходят всякий раз, когда мы окружаем кусочек пустого пространства стенкой из атомов и молекул на ноге геккона. Эксперименты, подобные опытам Ламоро в Лос-Аламосе, очень мало говорят нам о скрывающемся чудовище — огромном резервуаре энергии вакуума, лежащей в основе всей Вселенной. Это энергия нулевой точки, которую вы все еще ожидаете найти, когда уберете все стенки и полностью опорожните Вселенную. Как мы видели, этот монстр должен быть огромным. Он должен уничтожить Вселенную.

Космологическая история нулевой энергии началась независимо от ее изучения в квантовой механике. Для начала нам придется вернуться в первые месяцы 1917 года — за восемь лет до того, как Гейзенберг обнаружил ее квантовое происхождение. В тот момент Альберт Эйнштейн все еще оставался ярым противником энергии нулевой точки и не был склонен особо о ней задумываться. Однако он размышлял о гравитации и влиянии его новой замечательной теории на Вселенную в целом.

Он начал с загадки — проблемы бесконечного пространства. Может ли она вообще иметь реальный смысл? Чтобы избежать этой проблемы, Эйнштейн предпочитал представлять Вселенную как огромную сферу, подобную поверхности шара: очень большую, но все же конечную. Уравнения общей теории относительности связывают форму и размер Вселенной с содержащейся в ней материей. Эйнштейн увидел, что в самых больших масштабах внутренняя материя вечно толкает и притягивает его сферическую Вселенную. Покоя никогда не будет. Эйнштейну это совсем не нравилось. Идея Вселенной, эволюционирующей во времени, вызывала у него отвращение. Его интуиция требовала неизменного мира, без начала и конца, но уравнения отказывались подыгрывать. Нужно было что-то исправить.

Эйнштейн заметил, что он может остановить беспокоящую его эволюцию с помощью нового компонента — космологической постоянной, пронизывающей все пространство и время. Ученый вытащил эту космологическую постоянную из своего воображения: он понятия не имел, что эта константа может быть связана с нулевой энергией Вселенной. Но когда Эйнштейн вообразил ее, он устроил все именно так: космологическая постоянная аккуратно уравновешивает материю и кривизну пространства, так что Вселенная остается неподвижной. Это было шаткое перемирие между космическими гигантами на поле битвы пространства-времени. Оно не могло продлиться долго.

Первый тревожный сигнал для Эйнштейна появился в том же 1917 году, когда его резко раскритиковал голландский астроном Виллем де Ситтер. Де Ситтер подверг сомнению многие из базовых предположений Эйнштейна и показал, что существуют жизнеспособные альтернативы эйнштейновской Вселенной — как экспериментально, так и математически. Он вообразил Вселенную, которая была настолько разреженной, что ее можно было считать совсем свободной от материи: оставался только член с космологической постоянной. Это дало ему альтернативное космическое решение: Вселенную, полностью сформированную этим космологическим членом. Эйнштейн не верил, что так можно описать нашу Вселенную, — как раз потому, что в этой теории не играли никакой роли обычные материальные объекты вроде звезд и планет. Еще хуже (по крайней мере, с точки зрения Эйнштейна) было вот что: если вы добавляли несколько звезд и планет, то они, как показал астроном Артур Эддингтон, начинали разлетаться, ускоряясь по мере расширения пространства между ними. Де Ситтер и Эйнштейн очень уважали друг друга, и, хотя они активно обсуждали этот вопрос, нет никаких подтверждений, что Эйнштейн когда-либо согласился с реальностью решения де Ситтера. Мир Эйнштейна и мир де Ситтера стали ведущими космологическими моделями того времени.

Александр Фридман не собирался принимать чью-либо сторону. В 1922 году этот молодой российский физик решил более серьезно рассмотреть возможность эволюции Вселенной и нашел совершенно новое семейство решений. В мире Фридмана не было космологической постоянной. Расширение Вселенной было вызвано материей, но при этом расширение замедлялось по мере того, как материя становилась все более разреженной. Сравните это с двумя предыдущими моделями. В мире Эйнштейна Вселенная была неподвижна; в мире де Ситтера расширение присутствовало, однако оно целиком управлялось космологической постоянной, которая ускоряла процесс. Если не считать нескольких всплесков ускорения в самые ранние и самые поздние времена, оказывается, что космология Фридмана с замедляющимся расширением — лучшая модель нашей Вселенной на протяжении большей части ее истории.

Сначала Эйнштейн отверг статью Фридмана, решив, что в ней есть проблемы с математикой. Когда стало ясно, что работа математически верна, ученый начал осознавать ее важность и в результате изменил свое отношение к космологической постоянной, которую ввел пятью годами ранее. В открытке, отправленной Герману Вейлю в 1923 году, Эйнштейн писал: «Если не существует никакого квазистатического мира, то долой космологический член». Иными словами, если вы принимаете идею расширяющейся Вселенной, то нет смысла пачкать общую теорию относительности исправлением 1917 года: нет смысла вводить космологическую постоянную. Такая точка зрения будет доминировать в следующие семьдесят лет, поскольку все свидетельства указывали на Вселенную, которая расширяется с замедлением, как и предполагал Фридман. Как мы увидим, космологическая постоянная не возвращалась до 1990-х, когда астрономы начали обнаруживать намеки на то, что на последних этапах космической истории происходит ускорение.

Фридман не увидел триумфа своей модели. Летом 1925 года он съел грушу на железнодорожной станции, когда возвращался домой после медового месяца в Крыму. Плохо вымытый плод, возможно, кишел бактериями. После возвращения в Ленинград Фридман почувствовал себя плохо, ему диагностировали брюшной тиф, и через две недели он умер.

Примерно в это же время свои идеи начал развивать аббат Жорж Леметр. Выросший в состоятельной католической семье в бельгийском городе Шарлеруа, Леметр решил стать священником, когда ему было всего девять лет. В том же месяце он решил стать еще и ученым. «Видите ли, меня интересовала истина, — говорил он газете The New York Times, — как с точки зрения спасения, так и с точки зрения научной достоверности». Он никогда не видел противоречий между этими сторонами своей жизни.

Леметр не знал о трудах Фридмана, но читал публикации Весто Слайфера — американского астронома, который наблюдал тусклые световые спирали, известные как спиральные туманности. Слайфер заметил, что эти спирали удаляются от нас, и Леметр правильно приписал это явление расширению Вселенной. Приблизительные оценки давали огромное расстояние до этих туманностей, и некоторые астрономы предположили, что на самом деле они представляют собой огромные звездные системы, состоящие из миллионов, а то и миллиардов звезд. И ученые оказались правы. Эдвин Хаббл смог вглядеться и опознать отдельные звезды. Спиральные туманности Слайфера — то, что мы сейчас называем галактиками.

Леметр занялся решением уравнений для расширяющейся Вселенной, но его работа Эйнштейна не впечатлила. Леметр включил в свою модель все: планеты, звезды и даже космологическую постоянную. Для Эйнштейна это казалось излишеством: он не видел никакой ценности в космологической постоянной, если мир расширяется. Его интересовал только вопрос, как остановить расширение и сделать Вселенную статичной. Когда бельгиец разыскал его на Сольвеевском конгрессе в 1927 году, чтобы обсудить статью, Эйнштейн не стал проявлять снисхождение, заметив: «Ваши расчеты верны, но физическая идея отвратительна».

Эддингтон отнесся к идее более благосклонно. Он заметил, что работа Леметра положила конец статической модели Вселенной Эйнштейна. Хотя Леметр не утверждал прямо, его расчеты подразумевали, что эйнштейновский мир нестабилен. Он слишком полагался на шаткое перемирие между материей и космологической постоянной. Если нарушить это перемирие, изменив — даже чуть-чуть — плотность материи, Вселенная быстро превратится во что-то другое. И одно можно сказать наверняка: она никогда не будет статичной.

К концу 1920-х Хаббл смог точно измерить расстояние до галактик Слайфера. Сравнение скоростей их удаления подтвердило расширяющуюся модель Вселенной — в соответствии с космологиями, разработанными Фридманом и Леметром, и в противоречие с первоначальной моделью Эйнштейна 1917 года. В этот момент Эйнштейн начал активнее отвергать космологическую постоянную. Вселенная оказалась не статичной, поэтому в этой константе просто не было необходимости.

Часто говорят, что Эйнштейн назвал космологическую постоянную «самой большой ошибкой в своей жизни», хотя по-прежнему идут споры, сказал ли он это на самом деле. Точно известно, что Эйнштейн уже никогда не возвращался к этой идее. В обзорной статье, которую физик написал ближе к концу Второй мировой войны, он признался: «Если бы расширение Хаббла обнаружили во время создания общей теории относительности, космологический член никогда бы не появился». Несколько лет спустя в письме к Леметру он сетовал на уродство космологической постоянной и заявлял, что его всегда мучила совесть из-за этого члена уравнения. Что же касается «самой большой ошибки», то эти слова впервые произнес родившийся в Одессе, а позже переехавший в США физик Георгий (Джордж) Гамов. Хотя известный американский ученый Джон Уилер и утверждал, что слышал это замечание во время разговора между Гамовым и Эйнштейном в Принстоне, в этом существуют определенные сомнения — в основном из-за характера Гамова. Блестящий физик Гамов любил выпить и обладал озорным чувством юмора. Например, написав со своим учеником Ральфом Альфером статью о синтезе легких элементов, таких как водород и гелий, он добавил в число авторов физика Ханса Бете, который не имел к работе никакого отношения, — просто для того, чтобы получилось созвучие с названиями первых трех букв греческого алфавита: альфа, бета, гамма. В любом случае неважно, действительно ли Эйнштейн называл космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой». Она, безусловно, меркнет по сравнению с его величайшим сожалением: в 1939 году он подписал письмо президенту Рузвельту, где предупреждал, что Германия может создать атомную бомбу, и тем самым поспособствовал разработке ядерного оружия в США.

Леметр не позволил себе впасть в уныние из-за критики Эйнштейна и продолжал размышлять о последствиях космологической постоянной и расширяющейся Вселенной. В письме в журнал Nature (опубликованном рядом с обсуждением насекомых, найденных в кишечнике кобры) в 1931 году он задавался вопросом, что произойдет, если мы вернемся во времени и представим Вселенную такой, какой она была давным-давно. Он осознал, что энергия всего — всех планет, звезд, импульсов излучения — будет втиснута в крохотное пространство, возможно в один неизвестный «квант». Леметр пытался разобраться с тем, что мы сейчас называем исходной сингулярностью, первичной точкой бесконечной плотности, знаменующей начало пространства и времени. Что касается космологической постоянной, то Леметр, в отличие от Эйнштейна, никогда не отказывался от нее. Он первым определил ее как энергию вакуума, но никогда не связывал ее с энергией нулевой точки и квантовой механикой. Если бы он так сделал, возможно, Эйнштейн вернулся бы к этой теории.

В следующие три десятилетия космологическую постоянную во многом игнорировала даже та горстка физиков, которая изучала космологию. Лучшие умы в этой области больше интересовались частицами, борьбой с микромиром и анализом структуры фундаментальных полей. Первоначально космологическую постоянную защищал священник. Возродил ее Яков Зельдович, входивший в число создателей советской атомной и водородной бомбы и один из шестнадцати человек, трижды удостоенных звания Героя Социалистического Труда — высшего звания в Советском Союзе. В конце 1960-х он соединил точки в космологическом вакууме, связав энергию нулевой точки Гейзенберга с космологической постоянной. Это были ресторанные вычисления Паули, но приправленные современными идеями. Как и Паули, Зельдович осознал неприятность. Чертовски серьезную.

Зельдович понял, что, если квантовая теория поля верна, вакуум заполнен бульоном из виртуальных частиц, постоянно появляющихся и исчезающих. Такой бульон должен добавить своеобразный вес вакууму, наполнив его таким количеством энергии и давления, что Вселенная уничтожится. Космологическую постоянную больше нельзя было игнорировать.

Спустя полвека после заявления Зельдовича проблема космологической постоянной все еще актуальна и даже усугубилась. Зельдович считал, что истинная космологическая постоянная должна быть равна нулю. Он не знал, как она исчезает и что может укротить суп из виртуальных частиц, но что-то должно быть. Возможно, какая-то симметрия? Тридцать лет спустя, в конце 1990-х, астрономы стали замечать свидетельства космического ускорения: далекие сверхновые удаляются от нас со все возрастающей скоростью. Это ускорение выглядит так, словно его вызывает космологическая постоянная, но это не та космологическая постоянная, которую предсказывает квантовая теория, и не безумие виртуальных частиц, возникающих и исчезающих в вакууме. Это космологическая постоянная, которая в 10^–120 раз меньше.

Хотя истинное значение космологической постоянной вызывает ряд крайне сложных вопросов, ее существование обычно преподносят как внезапный триумф Эйнштейна. Пусть он в итоге от нее отказался, но ведь космологическая постоянная была его изобретением. Ускоряющаяся Вселенная — также триумф де Ситтера. По мере того как наша Вселенная расширяется, становясь все более разбавленной, кажется, что она приближается к миру де Ситтера — пустой и вечной Вселенной, которую движет вездесущая космологическая постоянная. Но один вопрос все же остается.

Почему она так чудовищно мала?

Ситуация становится отчаянной. Прошло почти столетие с тех пор, как Паули сидел со Штерном в гамбургском ресторане и утверждал, что Вселенная не дошла бы даже до Луны. За это время никто не придумал решения проблемы космологической постоянной, которое удовлетворило бы всех, а возможно, даже кого-нибудь. Мы знаем, что маленькие числа не должны появляться случайно, и тем не менее космологическая постоянная составляет 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001 от ожидаемого значения. Естественность добилась блестящих успехов почти во всех других областях фундаментальной физики, но в космологическом вакууме она проваливается.

Одним из первых ее попытался спасти Нильс Бор. В 1948 году в своем вступительном слове на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе он размышлял об энергии нулевой точки. Как и Паули, он знал, что если гравитация увидит ее, то взбесится, схлопнув пространство, поэтому, по его мнению, что-то должно заставлять ее исчезнуть. Он вообразил идеальный баланс в кипящем бульоне: одни частицы наделяют вакуум положительной энергией, другие отрицательной, и происходит компенсация. Словно вас окружает равное число ангелов и демонов. Ангелы несут вам дары счастья и радости, а демоны отнимают их. При их балансе вы ни счастливы, ни печальны. Возможно, так же обстоят дела и с космологической постоянной: одни виртуальные частицы пытаются толкать ее вверх, а другие опускать. В итоге все сводится к нулю.

Бор предположил, что так могут действовать виртуальные протоны и электроны. Как оказалось, они так делать не могут, поскольку и те и другие — фермионы. Виртуальные фермионы в вакуумном супе всегда пытаются толкать энергию вакуума вниз, двигая нас к отрицательной энергии. Однако виртуальные бозоны делают противоположное — пытаются толкать энергию вверх. Первым это заметил Паули. Если бы бозоны вели себя как ангелы, а фермионы — как демоны, то в идеальном равновесии они могли бы компенсировать друг друга, укротив космологический вакуум, как и предполагал Бор.

Это красивая идея. Но ведь и волшебные единороги — тоже красивая идея, а им в нашем мире нет места. . Сьюзи — та суперсимметрия, которая защищала массу бозона Хиггса. Суть идеи в том, что вы удваиваете количество частиц, в итоге каждый бозон образует пару с новым фермионом, а каждый фермион — с новым бозоном. Чтобы каждый из таких браков сработал, обе частицы должны иметь одинаковую массу и электрический заряд. Именно то, что нужно, когда дело касается обнуления космологической постоянной. В идеальном суперсимметричном мире каждый виртуальный бозон пытается утяжелить Вселенную энергией вакуума, но его фермионный напарник нейтрализует этот эффект. Однако наш мир не идеально суперсимметричен. В реальности мы не видели вообще никаких признаков сьюзи, во всяком случае пока. Мы делим вакуум так, что кусочки пазла ведут нас на передний край современной экспериментальной физики — к экспериментам на коллайдере в ЦЕРН, однако никакой сьюзи не видно, а значит, нет и шансов на чудесную нейтрализацию энергии вакуума.

Это всего лишь одна неудачная попытка, но на самом деле их было много. Проблема космологической постоянной заманивает свои жертвы, как античные сирены. Снова и снова к ней подключаются физики, полные решимости победить ее и защитить естественность. Но успехов, похоже, нет. Вот уже больше полувека проблема космологической постоянной не поддается решению, и эти неудачи ослабляют нашу решимость. Есть ученые, которые сочли, что естественность уже умерла. В отчаянии они отказались от старых способов и стали искать убежище в новом образе мышления.

Антропность.

Согласно словарю английского языка Collins, которые родители купили мне в детстве в качестве рождественского подарка — тому самому, который озадачил меня, — слово «антропный» означает «связанный с людьми или относящийся к ним». В физике антропный принцип связывает фундаментальные законы с существованием человека или, в более общем смысле, существованием сложной и разумной жизни. В контексте неожиданной Вселенной это дает определенную альтернативу естественности: утверждается, что некоторые малые числа, которые мы находим в природе, существуют для того, чтобы могла процветать жизнь, а не потому, что есть какая-то таинственная симметрия или причудливая новая физика.

Это наука о жизни, смерти и мультивселенной. Но есть те, кто говорит, что это вообще не наука.

Основная идея восходит к 1973 году, когда австралийский физик Брэндон Картер бросил вызов учению Коперника. Пятьсот лет назад Коперник смиренно заявил, что в нас нет ничего особенного, что наше место во Вселенной не привилегированное. Картер думал иначе. Кажется, что физические законы идеально настроены так, что разумная жизнь начинает развиваться исключительно при этих условиях. Стивен Вайнберг позже показал, как эту логику можно применить к космологической постоянной, а другие ученые использовали ее для других загадок — не в последнюю очередь к количеству пространственных измерений или неожиданно малой массе бозона Хиггса.

. Если бы национальная лотерея предлагала такие же шансы на выигрыш, вы, вероятно, не стали бы покупать билет. Но предположим, что выиграть нужно обязательно: от этого зависит ваша жизнь. Что бы вы сделали? Есть только один способ увеличить шансы: необходимо купить очень много билетов. В лотерее с космологической постоянной каждый билет — одна Вселенная с собственной энергией вакуума. Природа может добиться успеха, купив целую мультивселенную билетов, и в этих Вселенных будут все возможные космологические постоянные. Большинство этих Вселенных слишком тяжелы: в них слишком много энергии вакуума, чтобы могла развиться сложная жизнь; однако некоторые из них легче в гугол с лишним раз, включая нашу. Чтобы попасть в один из этих более легких миров, вам нужно раздобыть счастливый билет. Только здесь, в этом привилегированном уголке мультивселенной, мы можем найти великое искусство или литературу; здесь расцветает наука, а разумные существа начинают задавать вопросы о космологической постоянной.

Но природе также нужно где-то покупать эти билеты — счастливые или прочие. Именно здесь на сцене должна появиться теория струн. . Благодаря волшебству квантовой механики мы также можем оказаться в одной Вселенной, а затем внезапно прыгнуть в другую. Так природа прокладывает себе путь через все билеты в своем наборе. Скорее всего, первый билет откроет Вселенную с огромной космологической постоянной; то же будет и со второй, и с третьей, и со многими, многими другими. Природа случайно проскакивает через них, но на что они похожи? Сможет ли Лионель Месси играть в футбол в таких тяжелых Вселенных? Покорят ли Beatles Америку? Будут ли динозавры по-прежнему доминировать на Земле? Во всех случаях ответ — решительное «нет». Чтобы найти один из счастливых билетов, природа должна попасть во Вселенную с крошечной космологической постоянной.

Причина в том, что мы — звездная пыль. Это верно для вас, это верно для Лионеля Месси, это верно даже для трицератопса. Все, что делает нас такими, какие мы есть, все, что породило нашу планету, синтезировано внутри звезд. Однако для развития сложной жизни требуются не только звезды, но и галактики. Если бы галактики не объединяли группы звезд, то тяжелые элементы, выбрасываемые при взрывах сверхновых, исчезали бы в пустом пространстве. Галактики обеспечивают, чтобы этот выброшенный мусор иногда собирался вместе и при этом изредка появлялись планеты, наполненные всеми необходимыми компонентами для развития сложной жизни. Счастливый билет в жизнь — это билет во Вселенную с галактиками.

Вайнберг понял, что слишком большая энергия вакуума — это проблема для существования галактик. Он заметил, что если космологическая постоянная будет большой и положительной, то она заставит Вселенную ускориться раньше. Звездам не хватит времени, чтобы собраться и сформировать необходимые нам галактики: расширение пространства отодвинет их друг от друга еще до этого. Пусть теперь ситуация противоположная: космологическая постоянная велика и отрицательна. Тогда ускорения нет, зато есть кое-что похуже. Всякий раз, когда Вселенная начинает ощущать отрицательную космологическую константу, она останавливает расширение. Пространство начинает сжиматься, и Вселенная заканчивает жизнь апокалиптическим схлопыванием.

Новый вариант расчетов Вайнберга показывает, что галактики возникнут только в том случае, если космологическая постоянная будет не более чем в несколько тысяч раз превышать ту величину, которую мы наблюдаем в нашей Вселенной. Это и есть те счастливые билеты, о которых мы говорили. Они позволяют попасть в особый уголок мультивселенной, где могут существовать галактики и развиваться жизнь. Остальная часть мультивселенной пустынна. Антропный трюк состоит в том, чтобы потребовать существования сложной жизни — таких существ, как Beatles, Месси или даже Зельдович, и некоторые из этих существ начнут задаваться сложными вопросами о Вселенной, в которой мы живем. Но как только мы делаем это, мы меняем шансы нашего мира. Нам больше не нужно беспокоиться о тех уголках мультивселенной, где космологическая постоянная слишком велика. Нас интересуют только счастливые билеты — Вселенные, в которых может процветать сложная жизнь.

Мы можем снова спросить: каково типичное значение космологической постоянной? Поскольку мы ограничиваемся счастливыми билетами, космологическая постоянная попадает в не очень большой диапазон значений. Фактически она может превышать эту величину из нашей Вселенной не более чем в несколько тысяч раз. Применив антропный принцип — подготовив почву для сложной жизни, — мы резко сократили допустимый диапазон значений космологической постоянной. Наша Вселенная больше не аутсайдер, на которого делают ставки гугол к одному. Мы знаем, что у нее есть счастливый билет — в ней есть сложная жизнь, — так что шансы найти правильную космологическую постоянную составляют несколько тысяч к одному. Это значительное улучшение.

Возможно, антропность — вещь разумная и даже привлекательная из-за мультивселенной разных миров, но эта идея вызывает разногласия. Многие ее критики беспокоятся, что она слишком далеко отходит от границ науки и не фальсифицируема даже в принципе. Это, пожалуй, несправедливо. В 1997 году Вайнберг сделал предсказание. Он и его сотрудники утверждали, что если энергия вакуума составляет менее примерно 60 процентов от общего энергетического бюджета нашей Вселенной, то антропные аргументы не могут объяснить, почему она настолько мала. Это имело решающее значение для опубликования статьи. Редактор Astrophysical Journal испытывал отвращение к антропным идеям, и его уговорили опубликовать статью только потому, что работа предлагала путь к полному отказу от этой идеи. В следующем году группы исследователей сверхновых во главе с Адамом Риссом и Солом Перлмуттером объявили о свидетельствах космического ускорения. Сейчас мы знаем, что космологическая постоянная составляет около 70 процентов космического энергетического бюджета. Предсказание Вайнберга сбылось. Он проверил антропность, и та прошла это испытание.

Проблема с антропным принципом, как и со многими другими вещами, заключается в том, что в нас часто есть необъективность, вызванная собственным опытом. Всякий раз, когда мы задаем вопросы о жизни, мы смотрим на нашу собственную среду и находимся под сильным влиянием разнообразия нашей удивительной планеты. Но это отрицательно влияет на корректность. Как-то я спросил одного биолога, считает ли он, что инопланетная жизнь тоже может быть основана на ДНК. Он не знал. Откуда ему знать? Он никогда не препарировал пришельца с другой планеты или из другой Вселенной. Критерии, которые мы используем для применения антропного принципа и существования разумной жизни, часто изобилуют определенными догадками, и трудно понять на деле, верны ли они.

А сама мультивселенная? Она существует? У нас нет тому доказательств — ни экспериментальных, ни математических. Кажется, что теория струн ее предсказывает, но мы очень мало знаем о ее структуре. Ключевая характеристика антропности — возможность случайного прыжка из одной Вселенной в другую. Возможно, тут поможет некое квантовое волшебство, но что, если в мультивселенной существуют барьеры, которые мешают или вообще не дают это сделать? Без такого детального знания мультивселенной найдется очень мало соображений, которые мы можем высказать, не отяготив их предостережениями и предположениями.

Теория антропности — это теория жизни, стремление понять сверхтонкое равновесие, существующее в природе и позволившее нам с вами родиться на подходящей планете, вращающейся в пригодной для жизни зоне рядом со звездой средних размеров. Но она остается теорией со многими неизвестными, возможно даже непознаваемыми. Должны ли мы действительно отказываться от естественности ради чего-то настолько шаткого и рыхлого? Мой инстинкт говорит «нет». Естественность — это признание красоты и изящества природы. Это поиск ее симметрии. Именно симметрия наделила фотон нулевой массой, так что свет может двигаться со скоростью света. Именно симметрия не позволила электрону стать настолько тяжелым, чтобы он дестабилизировал атом. Но какая симметрия защищает нашу Вселенную от энергии пустого пространства? Какая красивая новая физика укрощает космологическую постоянную?

При входе в дом мне пришлось наклониться. Поперек низких потолков шли внушительные деревянные балки, а резьба на стенах предназначалась для защиты от ведьм. Я был в усадьбе Вулсторп — старинном поместье с богатой историей, расположенном в сельском Линкольншире. Именно здесь рано утром в Рождество 1642 года Анна Ньютон родила своего старшего сына Исаака. Мальчика, который станет королем науки. Мальчика, который, по словам Анны, был так мал, что помещался в квартовую кружку.

Вместе с одним коллегой из Калифорнийского университета мы отправились в Вулсторп в поисках вдохновения. Для двух физиков XXI века ничего лучше не найти, и мы надеялись, что призрак Ньютона станет нашим невидимым гидом, когда мы начнем перебрасываться идеями и уравнениями в тени яблонь, которые все еще растут в саду усадьбы.

Это почти сработало.

К тому моменту, когда нас выгнали из усадьбы при ее закрытии, мы сформулировали захватывающую (и ужасающую) новую идею, которая связывала проблему космологической постоянной с надвигающимся апокалипсисом. Мы были не совсем готовы возвращаться домой, поэтому отправились в ближайший паб «Белый лев» в соседней деревне Колстерворт. Довольно традиционный паб со стенами из необработанного камня и барной стойкой, обшитой деревом, выходил окнами на церковь саксонских времен, где крестили Ньютона. Я протянул другу пинту лагера, он нацарапал еще несколько уравнений на обратной стороне салфетки. Я не согласился с ним в некоторых деталях и, пока мы спорили, заметил любопытные взгляды бородатых строителей, сидевших за соседним столом.

— Что вы делаете?

Акцент был местный, линкольнширский — сильный, деревенский. Я хотел придумать ответ, благодаря которому мы будем выглядеть чуть менее эксцентричными переборщившими учеными, каковыми мы, несомненно, были. Но я опоздал. Американский профессор, хуже знакомый с неписаными правилами английских пабов, быстро ответил:

— Выясняем, когда наступит конец Вселенной.

Мне не стоило волноваться. Следующий час мы объясняли эти идеи нашим новым приятелям из паба, и они были очарованы. Мы говорили о том, что общепринятое представление о Вселенной лишено смысла, что космический вакуум должен быть кипящим бульоном из квантовых возмущений, разрывающих Вселенную на части с такой силой, что звезды, планеты и люди никогда не смогли бы существовать. Мы заявили, что у нас есть мысль, как справиться с этой загадкой, но она обойдется дорого: конец Вселенной близок.

Их встревоженные взгляды были понятны. Конечно, мы имели в виду «близок» в космологических масштабах. Наши приятели испытали облегчение: нескольких десятков миллиардов лет вполне достаточно, чтобы пропустить еще по кружечке. Идеи, которыми мы перебрасывались в Вулсторпе в тот теплый летний день, вдохновляло одно очень простое наблюдение: космологическая постоянная — это, знаете ли, постоянная. Кажется довольно очевидным, но именно это и выделяет ее. Отличает ее от планет, звезд и всего остального, что влияет на силу гравитации.

Сравним ее с планетой. Подобно космологической постоянной, планета влияет на гравитационное поле, но совершенно иначе. Масса планеты не распределена равномерно, а сосредоточена в небольшой области пространства и времени. Это означает, что у вас есть в распределении массы градиент (перепад) — дальше плотность начинает уменьшаться. Однако космологическая постоянная устроена иначе. Насколько мы можем судить, она постоянна. В нашем уголке Вселенной и в наше время базовая энергия вакуума неизменна. Никаких градиентов нет.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, все без исключения формы энергии притягивают. Пространство-время искривляют планеты и звезды, люди и разумные существа из инопланетного газа. Его также искривляет энергия вакуума. Мы хотели разработать новую теорию гравитации, в которой космологическая постоянная трактуется несколько иначе. Планеты и звезды притягивают именно так, как говорил Эйнштейн. То же делаете и вы, и я. Однако базовый резервуар вакуумной энергии — наша постоянная — вообще не должен притягивать.

Нашу теорию можно назвать секвестрированием энергии вакуума. Секвестрирование означает изолирование или укрывание. Эта теория очень похожа на эйнштейновскую теорию гравитации, но в ней есть механизм для сокрытия большой энергии вакуума, предсказываемой квантовой механикой. Чтобы понять, как схема работает, нужно вспомнить, как ваш холодильник остается холодным. В нем есть термостат, настроенный на определенную температуру, — вероятно, около четырех градусов по Цельсию. Если температура поднимается выше четырех градусов, термостат запускает внешний механизм охлаждения: включается компрессор, и по системе начинает циркулировать хладагент. Когда холодильник снова остынет, термостат отключит компрессор и охлаждение прекратится. При секвестрировании энергии вакуума у Вселенной также имеется термостат, но теперь он измеряет среднюю температуру Вселенной во всем пространстве и времени.

Теперь вообразите Вселенную с ошеломляюще большой энергией вакуума — например, гуголом гигаджоулей энергии на каждый литр пустого пространства. Согласно общей теории относительности, эта энергия искривит и сокрушит Вселенную, повысив ее температуру почти до миллиарда триллионов триллионов градусов Цельсия. Однако в теории секвестрирования есть еще и термостат. В принципе его можно выставить на любое выбранное значение, поэтому мы ставим его на волосок от абсолютного нуля. В присутствии этой огромной энергии вакуума термостат запускает внешний механизм охлаждения, чтобы уменьшить энергию и снизить среднюю температуру до желаемого значения. Поскольку это внешний механизм — в данном случае по отношению к пространству-времени, — он не отличает одну точку пространства-времени от другой. Он не делает различий между сегодняшним и завтрашним днем или между Америкой и туманностью Андромеды. Он снижает энергию на одинаковую величину во всех точках пространства и времени. Иными словами, он опускает базовый уровень, лежащий в основании резервуара энергии вакуума. Это изменение не затрагивает другие источники энергии — звезды, планеты и маленьких зеленых человечков. Секвестрируется только энергия вакуума.

Под защитой такого термостата Вселенная словно обладает элементом предвидения. Какой бы ни была энергия вакуума, Вселенная с самого начала знает, что выживет. Такой термостат гарантирует, что она станет старой, большой и пустынной и в ней смогут эволюционировать люди. Вам может показаться, что это звучит немного беспричинно, — возможно, даже похоже на судьбу. А вы верите в судьбу? Большинство ученых ответят отрицательно, но что произойдет, если они пересекут горизонт событий Повехи или любой другой черной дыры, — например, той, что восседает на троне в центре нашей галактики? Не суждено ли им окончить свои дни в бесконечных муках вместе с сингулярностью черной дыры? Истина в том, что их судьба была бы решена в тот момент, когда они пересекли горизонт событий, но это не означает никакой физической непоследовательности. Парадоксы причинности возникают только тогда, когда время попадает в петлю, как в истории о путешественнике во времени, который возвращается в прошлое и убивает родителей до своего зачатия. Но в нашей теории нет явного механизма для чего-то подобного. Нет и парадоксов. Просто у Вселенной есть судьба. Благодаря своему термостату она знает, что должна превратиться в старую и большую.

Эта связь между космологической постоянной и космическим предвидением не нова. Ее предложили несколько десятилетий назад несколько ученых, и в первую очередь Сидни Коулман. Ученик Гелл-Манна Коулман был физиком для физиков, он заработал впечатляющую репутацию в академическом сообществе, но странным образом оставался неизвестным внешнему миру. Мы с моим американским коллегой превратили его идею в простую рабочую модель.

Но правильна ли она?

Честно говоря, не могу сказать. Могу только сказать, что она не очевидно неправильна, а в такой области, как наша, это уже достижение. Мы разрабатываем эту идею уже восемь лет. Я всегда знаю, сколько времени прошло, потому что моя дочь родилась как раз тогда, когда мы выпустили первую статью. Конечно, я не подгадывал время специально, она должна была родиться только через два месяца. В любом случае дочка растет, а модель продолжает жить. Она не стала жертвой математических непоследовательностей или катастрофической нестабильности, и ни одно имеющееся наблюдение ей не противоречит.

А что насчет апокалипсиса? Разве мы не говорили нашим приятелям в пабе, что он неизбежен, — по крайней мере, с космологической точки зрения? Какое-то время мы думали, что это так. В наших ранних моделях такую цену приходилось платить за победу над космологической постоянной. Это способствовало хорошей беседе и давало прогноз, хотя и тревожный. Однако наши модели постепенно совершенствовались, и в конце концов мы поняли, что апокалипсис не обязателен. Может быть, однажды я вернусь в паб «Белый лев» и заверю своих друзей, что теперь все хорошо. Если наши последние модели верны, мы можем рассчитывать на более длительное будущее космоса и при этом по-прежнему отказаться от космологической постоянной.

. Но, может быть, нам не следует смущаться. Может быть, лучше праздновать. В конце концов, крохотный бозон Хиггса и крохотная космологическая постоянная пытаются сообщить нам что-то важное о ткани нашего физического мира. Что бы это могло быть? Какова фундаментальная физика, которая приводит их к таким крошечным значениям? Какая-то неизвестная симметрия? Предвидение, как при секвестрации энергии вакуума? Существование самой жизни, как в антропном принципе? Не знаю. Могу только сказать, что эти ничтожные цифры — портал к открытиям. Однажды мы выясним, что они пытаются нам сообщить, благодаря силе наших математических методов, в которых мы опираемся на непротиворечивость наших идей, и силе наших экспериментов, в которых мы заглядываем все дальше в неожиданный мир.