Пролог: Вселенная-Матрёшка

Вы держите в руках матрёшку. Уверен, вы знаете, как с ней обращаться. Берёте увесистую, тёплую, ярко расписанную фигурку, находите почти невидимый шов, аккуратно поворачиваете верхнюю половину относительно нижней. Раздаётся лёгкий, сухой щелчок – и мир расходится по шву.

Внутри, столь же яркая, но чуть меньше, сидит её точная копия. Вы проделываете то же самое. И снова. И ещё раз. Пока в ваших ладонях не останется самая маленькая, цельная, уже неразборная сестричка. Вы выстраиваете их всех в ряд – целое семейство, где каждая последующая одновременно и есть, и не есть предыдущая.

Это простая детская забава. Но именно в этой простоте скрыта одна из самых глубоких и всеобъемлющих метафор для описания Устройства Всего.

Жизнь, разум, Вселенная – это матрёшка.

Что делает эту метафору достаточно точной?

Во-первых, иерархичность. Матрёшка – это не хаос разрозненных предметов. Это стройная система вложенности, где каждый уровень подчиняется законам своего масштаба, но при этом является неотъемлемой частью уровня большего. Кварки собираются в протоны, те – в атомы, атомы – в молекулы, молекулы – в белки, белки – в клетки, и так далее, вплоть до галактических сверхскоплений. Ни один уровень не существует сам по себе. Он всегда часть чего-то большего и всегда содержит в себе что-то меньшее.

Во-вторых, единство и разнообразие. Все матрёшки в наборе сделаны из одного и того же куска дерева. Их объединяет общая материальная основа. Но каждая расписана уникальным образом. Так и всё во Вселенной – от туманности в созвездии Ориона до нейрона в вашем мозгу – состоит из одних и тех же элементарных частиц, подчиняется одним и тем же фундаментальным физическим законам. Но на каждом новом уровне сложности рождаются новые, эмерджентные свойства, которых не было на предыдущем. Законы химии не отменяют законы физики, но и не сводятся к ним. Законы биологии не сводятся к химии. Сознание не сводится к простой сумме нервных импульсов. Жизнь – это искусство складывания простого в сложное.

В-третьих, путь познания. Процесс открывания матрёшки – это и есть научный и экзистенциальный метод познания. Мы видим внешнюю, самую большую оболочку – видимый мир, явления. Наша задача – аккуратно, не сломав, открывать её, спускаясь всё глубже и глубже к сути вещей. Иногда, добравшись до самой маленькой фигурки, мы понимаем, что именно она и была ключом к пониманию всей конструкции. Как открытие структуры ДНК стало ключом к пониманию жизни.

В-четвёртых, рекурсия. Матрёшка – это образ, который содержит в самом себе образ самого себя. Мы, люди, – матрёшка, состоящая из атомов и клеток, которая силой своего сознания пытается построить модель всей остальной матрёшки – Вселенной. Мы – часть системы, которая пытается себя же и осознать.

Эта книга – попытка аккуратно, слой за слоем, открыть Великую Матрёшку. Наше путешествие начнётся там, где заканчиваются сами понятия пространства и времени, в невообразимо малом мире квантовой пены. Мы будем подниматься через рождение атомов, молекулы жизни, хрупкую сложность клетки, через лабиринты сознания и колоссальные конструкции человеческой культуры.

Мы выйдем за пределы нашего тела, нашего вида, нашей планеты, чтобы увидеть наше место в звёздных островах-галактиках, и упрёмся взглядом в границу видимой Вселенной. Затем посмотрим, что говорят современные физики о том, что может находиться за её пределами.

На каждом уровне мы будем задавать себе одни и те же вопросы: Что это за слой? Какими законами он управляется? Как он связан с предыдущим и последующим? И, главное, где в этой колоссальной иерархии находимся мы?

Готовы? Сделайте первый щелчок.

Глава 1. Планковская пыль: щелчок на грани реальности

Представьте, что вы можете уменьшаться. Вы прошли сквозь кожу, сквозь клетки, сквозь митохондрии и молекулы ДНК. Вы видели, как танцуют атомы, как протоны и нейтроны собираются в ядра, словно пчелы в улье. Вы миновали уровень кварков – тех невидимых кирпичиков, из которых сложено всё вещество. И вот вы плывете дальше, в пустоту, к основанию мироздания.

Но в какой-то момент ваш мысленный эксперимент терпит крах. Дальше – нельзя. Не потому, что не хватает мощностей микроскопа, а потому, что сами понятия «дальше», «глубже» и «меньше» теряют всякий смысл. Вы уперлись в фундаментальный предел самой реальности. Вы достигли Планковской длины.

Это число. Оно выглядит скромно: 1,616255 × 10–³⁵ метров. Но за этой сухой математической записью скрывается дверь в иной мир.

Что это такое?

Чтобы понять, мы должны сделать шаг назад и познакомиться с человеком, который подарил нам эту границу. Макс Планк, отец квантовой теории, в начале XX века совершил революцию: он предположил, что энергия излучается не непрерывно, а крошечными, дискретными порциями – квантами. Позже, работая с фундаментальными константами – скоростью света (c), гравитационной постоянной (G) и своей собственной постоянной (ħ) – он вывел набор единиц, которые были естественными, «божественными» единицами измерения для Вселенной. Единицы, где эти константы равнялись бы единице. Так появились Планковские единицы: время, масса, энергия и, самая известная из них, длина.

Представьте, что Вселенная – это цифровое изображение на экране. Планковская длина – это размер одного пикселя этого изображения. Вы не можете увидеть половину пикселя. Он неделим. Так и пространство-время, согласно современным теориям квантовой гравитации, на этих масштабах перестает быть гладким и непрерывным. Оно становится зернистым, пенистым, бурлящим – термин, который любят использовать физики, – квантовой пеной.

Что происходит в этой пене?

Здесь царят законы, которые наше сознание, сформированное в макромире, не в силах представить. Здесь стирается грань между материей и энергией, между частицей и волной, между существованием и несуществованием. Виртуальные частицы рождаются из ничего и исчезают, нарушая закон сохранения энергии, но делая это так быстро, что сама Вселенная не успевает возмутиться. Это кипящий, хаотичный котёл, из которого при определенных условиях рождаются самые стабильные «матрёшки» – те самые кварки и электроны.

Гравитация здесь выходит на первый план. На масштабах в квинтилионные доли метра ее сила сравнивается с другими фундаментальными взаимодействиями. Именно здесь Общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию как искривление гладкого пространства-времени, встречается лицом к лицу с квантовой механикой, описывающей дискретный и вероятностный мир. И они не могут найти общего языка. Их столкновение – величайшая нерешенная проблема современной физики.

Почему мы не можем заглянуть дальше?

Наш главный инструмент для изучения маленького – и так уже большой. Чтобы увидеть детали, нам нужны частицы с огромной энергией (фотоны, электроны), которые мы разгоняем в коллайдерах. Но чтобы «увидеть» объект размером с Планковскую длину, нам потребовался бы коллайдер размером с галактику. И здесь нас ждет второй, еще более поразительный парадокс.

Если бы мы смогли собрать необходимое количество энергии в объеме Планковской длины, эта энергия сколлапсировала бы в черную дыру. Черная дыра сформировала бы горизонт событий, который навсегда скрыл бы от нас процессы, происходящие внутри. Природа, кажется, ставит фундаментальный барьер для нашего любопытства. Она говорит: «Дальше – не ваша территория. Здесь заканчивается физика в вашем понимании и начинается нечто иное».

Так что же там? За границей?

Мы не знаем. У нас есть гипотезы, прекрасные и безумные.

• Теория струн предполагает, что в этой пене вибрируют одномерные струны, а их режимы колебаний и есть все известные нам частицы.

• Петлевая квантовая гравитация говорит о том, что пространство-время состоит из дискретных, квантованных ячеек, связанных в сеть.

• Другие предполагают существование дополнительных измерений, свернутых в этих масштабах.

Но пока это лишь математические конструкции. Планковская длина – это берег океана, за которым лежит Terra Incognita. Мы стоим на этом берегу и можем лишь строить догадки о том, что скрывает туман.

Эта самая маленькая, неразборная матрёшка – не конец пути. Это его начало. Это фундамент, на котором стоит всё. Это тот щелчок, который разъединяет известную нам физику и физику будущего. Он напоминает, что наше путешествие вглубь мироздания – это не плавное погружение, а серия революционных открытий, каждое из которых переворачивает наше представление о реальности с ног на голову.

Мы сделали первый, самый трудный щелчок. Дальше – проще. Дальше из этой квантовой пены начинают собираться первые устойчивые формы. Следующая матрёшка уже ждет нас.

И она называется кварк.