Навіть найдосконаліша фізика не може відкрити все, що ми хочемо знати про історію та майбутнє космосу чи про нас самих.
«Яка користь від законів фізики, якщо ми не можемо розв’язати рівняння, які їх описують? Це питання спало мені на думку, коли я прочитав статтю в The Guardian Ендрю Понтцена, космолога з Університетського коледжу Лондона, який упродовж декількох днів проводив комп’ютерне моделювання чорних дір, зірок, галактик, а також народження та зростання Всесвіту», – пише Денніс Овербрай, репортер The New York Times, автор книг, публіцист. «Його думка полягала в тому, що він і всі ми зазнаємо невдачі».
«Навіть якщо ми уявимо, що людство зрештою відкриє «теорію всього», яка охоплює всі окремі частинки та сили, пояснювальна цінність цієї теорії для Всесвіту в цілому буде незначною», — написав доктор Понтцен.
Незалежно від того, наскільки добре ми думаємо, що знаємо основні закони фізики та список елементарних частинок, що постійно розширюється, у Всесвіті недостатньо комп’ютерної потужності, щоб відстежувати їх усі. І ми ніколи не можемо знати достатньо, щоб достовірно передбачити, що станеться, коли всі ці частинки стикаються або іншим чином взаємодіють. Десяткова кома, додана до оцінки, скажімо, розташування чи швидкості частинки, може відбитися в історії та змінити результат через мільярди років за допомогою так званого ефекту метелика теорії хаосу.
Розглянемо щось таке просте, як, скажімо, орбіта Землі навколо Сонця, каже доктор Понтцен. Залишений напризволяще, наш світ або його хрусткі копалини вічно рухатимуться на одній орбіті. Але в повноті космічного часу гравітаційні поштовхи від інших планет Сонячної системи можуть змінити її курс. Залежно від того, наскільки точно ми характеризуємо ці підштовхування та матеріал, який підштовхує, гравітаційні розрахунки можуть дати дуже різні прогнози щодо того, де буде Земля та її побратими через сотні мільйонів років.
У результаті на практиці ми не можемо передбачити ні майбутнє, ні минуле. Космологи, такі як доктор Понтцен, можуть підстрахуватися, зменшивши масштаб і розглянувши загальну картину — великі скупчення матеріалу, як хмари газу, або системи, колективна поведінка яких є передбачуваною і не залежить від індивідуальних варіацій. Ми можемо варити макарони, не відстежуючи кожну молекулу у воді.
Але існує ризик припускати, що порядок занадто великий. Візьміть мурашник, пропонує доктор Понтцен. Рухи будь-якої окремої мурахи здаються випадковими. Але якщо поглянути в цілому, мурашник, здається, гуде від мети та організації. Спокусливо спостерігати за дією колективної свідомості, пише доктор Понтцен, але «є лише мурахи-одинаки», які дотримуються простих правил.
«Витонченість виникає через величезну кількість людей, які дотримуються цих правил», – зазначає він, цитуючи фізика з Прінстона Філіпа В. Андерсона: «Більше означає інше».
У космології правдоподібне пояснення історії Всесвіту сформувалося шляхом простих припущень щодо речей, про які ми нічого не знаємо — темної матерії та темної енергії — але, тим не менш, вони становлять 95 відсотків Всесвіту. Імовірно, ця «темна сторона» Всесвіту взаємодіє з 5 відсотками відомого матеріалу — атомами — виключно через гравітацію. Згідно з історією, після Великого вибуху утворилися басейни темної матерії, яка затягнула атомну матерію, яка конденсувалася в хмари, які нагрівалися і ставали зірками та галактиками. Коли Всесвіт розширювався, темна енергія, що його пронизувала, також розширювалася і почала розштовхувати галактики все далі й швидше.
Але цей наратив руйнується на початку, у перші кілька сотень мільйонів років, коли зірки, галактики та чорні діри формувалися в безладному, погано зрозумілому процесі, який дослідники називають «гастрофізикою».
Її механіку надзвичайно важко передбачити, включаючи магнітні поля, природу та склад перших зірок та інші невідомі ефекти.
«Безумовно, ніхто не може зробити це прямо зараз, виходячи просто з законів фізики, яким довіряють, незалежно від обсягу пропонованої комп’ютерної потужності», — написав доктор Понтцен в електронному листі адресованому репортеру.
Нещодавні дані космічного телескопа Джеймса Вебба, які виявили галактики та чорні діри, які здаються занадто масивними та занадто ранніми у Всесвіті, щоб пояснити їх «стандартною моделлю» космології, здається, додають проблем. Чи достатньо цього, щоб повернути космологів до їхніх креслень.
Доктор Понтцен не переконаний, що для космологів настав час відмовитися від своєї важко виробленої моделі Всесвіту. Космічна історія надто складна, щоб моделювати її в деталях. Лише наше сонце, зазначає він, містить 10^57 атомів, і таких зірок трильйони за трильйонами.
Півстоліття тому астрономи виявили, що Всесвіт із його зірками та галактиками переповнений мікрохвильовим випромінюванням, яке залишилося після Великого вибуху. Картування цього випромінювання дозволило астрономам створити малюнок космосу, оскільки він існував лише 380 000 років після початку часу.
В принципі, уся історія може бути закладена там у тонких завитках і пучках первісної енергії. На практиці неможливо прочитати розгортання часу в цих мікрохвильових печах настільки добре, щоб розрізнити розквіт і падіння динозаврів, світанок атомної ери чи появу знака питання в небомільярди років потому. Майже 14 мільярдів років квантової невизначеності, аварій і космічних тріщин стоять між тим і тепер.
За останніми підрахунками, фізики ідентифікували близько 17 типів елементарних частинок, які складають фізичний Всесвіт, і щонайменше чотири способи їх взаємодії — через гравітацію, електромагнетизм і так звані сильні та слабкі ядерні сили.
Космічна ставка, яку зробила західна наука, полягає в тому, щоб показати, що цих чотирьох сил і, можливо, інших, які ще належить відкрити, які діють на величезний ансамбль атомів та їхніх складових, достатньо, щоб пояснити зірки, веселки, квіти, нас самих і, справді, існування Всесвіту як цілого. Це досить інтелектуально-філософська гора, на яку потрібно піднятися.
Насправді, попри всю нашу віру в матеріалізм, каже доктор Понтцен, ми можемо ніколи не знати, чи досягли успіху.
«Наше походження написано на небі, — сказав він, — і ми тільки вчимося їх читати».
У своїй новій книзі «Всесвіт у коробці: моделювання та пошуки коду космосу» доктор Понтцен цитує клятву, запропоновану Емануелем Дерманом, фізиком елементарних частинок, який став кількісним аналітиком Goldman Sachs, а зараз є професором Columbia:
«Я не буду дарувати людям, які використовують мої моделі, хибну втіху щодо їх точності. Я роз’ясню припущення та недогляди всім, хто ними користується».
У своєму електронному листі доктор Понтцен додав: «Я вважаю, що це також є гарним принципом для фізики, особливо в таких складних областях, як космологічне моделювання».
Наразі, додав він, ми можемо втішитися думкою, що Всесвіт є законним: «Зрештою, галактики менше схожі на машини, а більше на тварин — зрозумілі, корисні для вивчення, але лише частково передбачувані. Прийняття цього вимагає зміни перспективи, але це робить наше бачення Всесвіту ще багатшим».