Текст книги "Черные дыры и молодые вселенные"

Глава седьмая
Добьются ли своего физики-теоретики?[21]21
  29 апреля 1980 г. мне присвоили звание Лукасовского профессора математики в Кембридже. Это эссе представляет собой инаугурационную лекцию, которую прочел за меня один из моих студентов.


[Закрыть]

На этих страницах я хочу поразмышлять о том, насколько вероятно, что теоретическая физика сможет прийти к своей цели в обозримом будущем. Скажем, к концу XX века. Под целью я, разумеется, имею в виду полную, непротиворечивую теорию физических взаимодействий, которая смогла бы описать и свести воедино все возможные наблюдения. Конечно, такие прогнозы нужно делать с осторожностью. По крайней мере дважды мы полагали, что стоим на пороге этого великого прорыва. В начале XX века считали, что все можно объяснить с точки зрения механики сплошных сред: необходимо только измерить коэффициенты упругости, вязкости, проводимости и прочие. Эти надежды рухнули, когда была открыта атомная структура вещества и сформулированы принципы квантовой механики. Вспомним, как в конце 1920-х годов Макс Борн говорил ученым, которые навестили его в Гёттингене: «Той физике, которую мы знали до сих пор, придет конец через шесть месяцев». Это произошло вскоре после того, как Поль Дирак, также Лукасовский профессор, сформулировал свое знаменитое уравнение. Оно описывает поведение электрона. Ожидалось, что аналогичное уравнение будет справедливо и для протона, второй элементарной частицы, известной в то время. Но открытие нейтрона и ядерных сил развеяло эти надежды. Теперь мы знаем наверняка, что ни протон, ни нейтрон не являются элементарными частицами, а состоят из еще более мелких частиц. Тем не менее мы достигли большого прогресса за последние годы, и по моему мнению, есть некоторые основания для осторожного оптимизма: быть может, некоторые из тех, кто читает сейчас эти строки, станут свидетелями рождения единой теории поля.

Даже если мы создадим полную единую теорию, мы сможем делать детальные предсказания только в самых простых ситуациях. Например, мы в общих чертах уже постигли законы, которые управляют нашей повседневной жизнью. Как говорил Дирак: «На моем уравнении держится вся химия и почти вся физика». Однако мы способны найти решение этого уравнения только для простейшей системы, атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Для более сложных атомов с большим числом электронов, не говоря уже о молекулах, состоящих более чем из одного ядра, мы должны довольствоваться приближенными решениями и интуитивными догадками сомнительной ценности. Для макроскопических систем, содержащих порядка 10²³ частиц, мы должны использовать статистические методы и не претендовать на точные решения уравнений. Что касается биологии, то хотя в принципе мы знаем уравнения, описывающие биологические процессы, мы не можем свести изучение поведения человека к какой-либо ветви прикладной математики.

Что мы подразумеваем под единой теорией поля в физике? Наши попытки моделирования физической реальности обычно сводятся к двум этапам:

1. Формулирование ряда законов, которым подчиняются различные физические величины. Обычно эти законы записываются в виде дифференциальных уравнений.

2. Определение граничных условий, описывающих состояние различных областей во Вселенной в определенные моменты времени, и возможное влияние, которое может оказать на эти области остальной макрокосмос.

Может показаться, что роль науки исчерпывается открытием новых законов (1-й пункт), то есть теоретическая физика достигнет своей цели, как только мы получим полный набор локальных физических законов. А значит, разрешение вопроса о начальных условиях возникновения Вселенной – удел метафизики или религии. Те, кто так считает, по сути дела ничем не отличаются от средневековых схоластов, не признававших ценности научного познания мира и утверждавших, что природа – творение Бога, а потому негоже разбирать мироздание по кирпичикам. Я думаю, что начальные условия во Вселенной должны быть таким же объектом научного исследования и так же описываться теорией, как и локальные физические законы. Мы не продвинемся в наших попытках создать единую теорию поля, если будем твердить только: «Все идет так, как идет, потому что так уж заведено».

Вопрос об уникальности начальных условий тесно связан с вопросом о том, насколько произвольны локальные физические законы: теория не может считаться полной, если содержит целый ряд параметров, например массы или постоянные взаимодействия, количественные значения которых зависят от чьей-то прихоти. Несомненно то, что в полноценной теории ни начальные условия, ни значения параметров не могут быть взяты с потолка. Наоборот, они очень тщательно выбраны и подогнаны друг к другу. Например, если бы разность масс протона и нейтрона не превышала бы примерно вдвое массу электрона, мы не получили бы около двух сотен стабильных нуклидов, из которых и состоят все элементы и которые лежат в основе химии и биологии. Соотвественно, если бы гравитационная масса протона сильно отличалась от имеющейся, не было бы звезд, в которых могли бы возникнуть такие нуклиды. А если бы Вселенная на первых порах расширялась немного медленнее или немного быстрее, то она либо схлопнулась бы, прежде чем могли появиться такие звезды, либо ее быстрое расширение не дало бы образоваться звездам, так как помешало бы их гравитационному уплотнению.

И вправду, некоторые пошли еще дальше и свели все ограничения, накладываемые на начальные условия и параметры, в единое правило. Оно получило название антропного принципа. Его суть сводится к следующему: «Все вещи существуют именно в таком виде, потому что существуем мы». По одной версии, существует множество различных, не связанных между собой вселенных, в которых отличаются и значения физических параметров, и начальные условия. В большинстве таких вселенных не смогут возникнуть нужные условия для возникновения сложных структур, необходимых для развития разумной жизни. Только в очень небольшом количестве макрокосмосов, где условия и параметры похожи на условия и параметры нашей Вселенной, может появиться разумное существо, которое однажды задаст вопрос: «Почему Вселенная такая, какой я ее вижу?» Ответ прост. Если бы все было по-другому, то некому было бы задавать вопросы.

С помощью антропного принципа можно легко объяснить многие замечательные численные соотношения, наблюдаемые между значениями различных физических параметров. Но такой подход не вполне удовлетворительный. Трудно отделаться от ощущения, что существует более исчерпывающее объяснение. К тому же такой подход может не быть справедливым во всех областях Вселенной. Например, своим существованием мы обязаны Солнечной системе, так же как и раннему поколению ближайших звезд, в которых тяжелые элементы формировались в ходе реакций ядерного синтеза. Возможно, своим существованием мы обязаны и всей нашей Галактике. Но необходимость в других галактиках так явно не прослеживается, не говоря уже о миллионах миллионов других галактик, более-менее равномерно рассыпанных по всему наблюдаемому космосу. Из-за такой однородности на больших масштабах очень трудно поверить в то, что структуру Вселенной определяют некие второстепенные, хотя и сложные молекулярные структуры, населяющие небольшую планетку, которая обращается вокруг весьма средней звезды на окраинах довольно типичной спиральной галактики.

Если мы не хотим апеллировать к антропному принципу, нам нужна некая объединяющая теория, чтобы объяснить начальные условия во Вселенной и значения различных физических параметров. Однако очень трудно выдумать полную теорию всего в один присест (хотя это не расхолаживает многих людей – лично я получаю по почте примерно две-три единых теории в неделю). Вместо этого мы обычно создаем частные теории для описания ситуаций, в которых можно пренебречь определенными взаимодействиями или выразить их в простом приближенном виде. Вначале мы разделяем материальное содержание Вселенной на две части: «материю», т. е. частицы, такие как кварки, электроны, мюоны и т. д., и «взаимодействия», т. е. гравитацию, электромагнетизм и т. д. Материальные частицы описываются полями с полуцелым спином и подчиняются принципу Паули, который запрещает двум и более частицам одинакового типа находиться в одном и том же состоянии. Именно по этой причине мы видим вокруг себя твердые тела, которые не схлопываются в точку и не излучаются в бесконечность. Материальные частицы делятся на две группы: адроны, состоящие из кварков, и лептоны, которые включают в себя все остальное.

Взаимодействия делятся феноменологически на четыре категории по своему характеру: сильное ядерное взаимодействие, в котором участвуют только адроны; электромагнетизм, который отвечает за силы, действующие между заряженными адронами и лептонами; слабое ядерное взаимодействие, в котором участвуют адроны и лептоны; наконец, гравитация, самое слабое из всех взаимодействий, присутствующее повсеместно. Взаимодействия представлены полями с целочисленным спином, которые не подчиняются принципу Паули. Это значит, что многие частицы могут пребывать в одном и том же состоянии. Кроме того, в случае электромагнетизма и гравитации взаимодействия являются дальнодействующими, а это означает, что поля многочисленных материальных частиц могут складываться и давать поле, которое может регистрироваться в макромире. Поэтому именно они были теми взаимодействиями, для которых придуманы первые теории: законы гравитации Ньютона в XVII столетии и теория электромагнетизма Максвелла в XIX столетии. Однако эти теории в своих принципах были несовместимы, так как теория Ньютона является инвариантной при условии, что всей системе придается единая скорость, в то время как в теории Максвелла появляется предпочтительная скорость – скорость света. В конце концов оказалось, что именно ньютоновскую теорию гравитации пришлось модифицировать, дабы совместить ее со свойствами инвариантности в теории Максвелла. Это удалось сделать в общей теории относительности (ОТО), которая была сформулирована Эйнштейном в 1915 году.

Общая теория относительности гравитации и максвелловская теория электродинамики относят к числу классических. То есть они имеют дело с непрерывно меняющимися величинами, которые в принципе можно измерить с произвольной точностью. Но как только мы попытались воспользоваться этими теориями для построения модели атома, возникла проблема. Мы обнаружили, что атом состоит из маленького, положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Естественно было предположить, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра наподобие того, как Земля вращается по орбите вокруг Солнца. Но классическая теория предсказывала, что электроны должны излучать электромагнитные волны. Благодаря излучению волн электроны потеряют энергию и по спирали упадут на ядро – атом потеряет устойчивость и перестанет существовать.

Эту проблему удалось преодолеть благодаря созданию квантовой теории, явившейся, без сомнения, величайшим достижением теоретической физики XX века. Основной постулат квантовой теории – принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что для частиц нельзя измерить одновременно с одинаковой точностью некоторые пары величин – например, положение в пространстве и импульс. Если мы рассматриваем атом, это означает, что электрон в своем нижнем энергетическом состоянии не может покоиться на ядре, ибо если бы это было так, он бы имел точно определенное положение (на ядре) и точно определенную скорость (равную нулю). Мы же считаем, что и положение, и скорость электрона как бы размазаны с некоторой плотностью вероятности вокруг ядра. В этом состоянии электрон не будет излучать энергию в форме электромагнитных волн, потому что для него не существует более «низкого» энергетического состояния, чем то, в котором он уже находится.

В 20-х и 30-х годах XX столетия квантовая механика с большим успехом применялась к системам с ограниченным числом степеней свободы, таким как атомы и молекулы. Трудности возникли, когда квантовую механику попытались применить к электромагнитному полю, имеющему неограниченное число степеней свободы, грубо говоря, по две в каждой точке пространства-времени. Эти степени свободы можно рассматривать как осцилляторы, каждый со своим положением и импульсом. Осцилляторы не могут находиться в покое, иначе они бы имели точно определенные положения и импульсы. Каждый осциллятор должен обладать минимальным запасом так называемых нулевых флуктуаций и отличной от нуля энергией. Поскольку таких степеней свободы бесконечное количество, это означало бы, что кажущаяся масса и заряд электрона должны стремиться к бесконечности.

В конце 1940-х годов эта трудность была преодолена благодаря введению так называемой перенормировки. Суть ее сводилась к тому, что из бесконечности довольно произвольно вычитались некоторые бесконечные величины, чтобы получить конечный остаток. В электродинамике нужно было сделать два таких вычитания бесконечных величин: одно для массы, а другое для заряда электрона. Несмотря на то, что процедура перенормировки так и не получила сколько-нибудь убедительного концептуального или математического обоснования, на практике она работает достаточно хорошо. С ее помощью удалось предсказать малые смещения линий в спектре атома водорода, так называемый сдвиг Лэмба. Тем не менее нельзя сказать, что с точки зрения попыток создать единую теорию это очень удачная находка, потому что не удается предсказывать величину того самого конечного остатка, получаемого после вычитания бесконечно больших величин. Таким образом, мы вынуждены вернуться к антропному принципу, если хотим объяснить, почему электрон имеет именно ту массу и энергию, которую имеет.

На протяжении 50-х и 60-х годов XX века господствовало убеждение, что сильное и слабое ядерные взаимодействия перенормировке не поддаются. То есть чтобы добиться конечного результата, необходимо произвести бесконечное количество вычитаний бесконечно больших величин. Мы бы получили бесконечное количество остаточных членов, которые нельзя было бы определить теоретически. Такая теория не принесла бы никакой пользы, потому что невозможно измерить бесконечное число параметров. Однако в 1971 году Джерард Хуфт показал, что единая модель электромагнитных и слабых взаимодействий, которую ранее предложили Абдус Салам и Стивен Вайнберг, поддается перенормировке, в которой участвует ограниченное число вычитаний бесконечно больших величин. Чтобы описать электромагнитное взаимодействие фотона, частицы со спином 1, Салам и Вайнберг добавляют три другие частицы со спином 1, названные W⁺, W^- и Z⁰. Прогнозы говорят, что при очень высоких энергиях все эти четыре частицы будут вести себя примерно одинаково. Но при низких энергиях возникает явление, называемое спонтанным нарушением симметрии. Оно объясняет тот факт, что масса покоя фотона равна нулю, в то время как W⁺, W^- и Z⁰ обладают большими массами. Эта теория с высокой точностью предсказывала явления, происходящие на низких энергиях. В результате Шведская королевская академия наук в 1979 году удостоила Нобелевской премии физиков Салама, Вайнберга и Шелдона Глэшоу, который также разработал аналогичную единую теорию. Тот же Глэшоу отметил, что Нобелевский комитет оказался втянутым в авантюру, поскольку не существовало ускорителей частиц высоких энергий, способных проверить теорию в режиме, когда происходит объединение электромагнитных взаимодействий, осуществляемых фотонами, со слабыми взаимодействиями[22]22
  Переносчиками слабого взаимодействия являются т. н. бозоны W⁺, W^- и Z⁰, открытые в лаборатории CERN. W-частица названа по первой букве названия взаимодействия – weak,или слабое взаимодействие. Z-частица получила такое имя, поскольку Z-бозон имеет нулевой (Zero) электрический заряд. Все три типа бозонов имеют спин 1. Их открытие считается одним из самых больших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц.


[Закрыть], осуществляемыми частицами W⁺, W^- и Z⁰. Достаточно мощные ускорители будут построены в течение ближайших нескольких лет, и большинство физиков уверены, что они подтвердят теорию Салама – Вайнберга[23]23
  Фактически частицы W и Z наблюдались в лаборатории ЦЕРН в Женеве в 1983 г. Еще одна Нобелевская премия была вручена в 1984 г. ученым Карло Руббиа и Симону ван дер Меру, которые возглавляли группу, сделавшую открытие. Хуфту премия не досталась. (Аббревиатура CERN произошла от франц. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейский совет по ядерным исследованиям). В русском языке используется аббревиатура ЦЕРН. – Прим. ред.)


[Закрыть].

Успех теории Салама – Вайнберга стимулировал поиски аналогичной теории перенормировки для сильных взаимодействий. Довольно давно стало ясно, что протон, равно как и другие адроны, такие как пи-мезон, по сути не являются элементарными частицами. Они являются связанными состояниями других частиц, так называемых кварков. Кварки обладают любопытным свойством, а именно: несмотря на то, что они могут свободно перемещаться внутри адрона, до сих пор не удалось зарегистрировать отдельный кварк, не связанный с другими. Они либо «гуляют» по трое (как в протоне и нейтроне), либо парами, в которых кварк сопровождается антикварком (как в пи-мезоне). Чтобы объяснить это свойство, ученые наделили кварки таким качеством, как «цвет». Здесь следует подчеркнуть, что цвет кварков не имеет ничего общего с нашим обыденным восприятием цвета: кварки слишком малы, чтобы их можно было визуально «увидеть» в свете. Это всего лишь удобное наименование. Идея заключается в том, что кварки бывают трех цветов: красного, зеленого и синего. При этом любое изолированное связанное состояние кварков, например в адроне, должно быть бесцветным и представлять собой либо сочетание красного, зеленого и синего (как в протоне), либо красного и антикрасного, зеленого и антизеленого, синего и антисинего (как в пи-мезоне).

Сильные взаимодействия между кварками предположительно переносятся глюонами, частицами со спином 1, наподобие тех частиц, которые переносят слабые взаимодействия. Глюоны также несут в себе цвет. Как и кварки, они подчиняются перенормируемой теории, называемой квантовой хромодинамикой (КХД). Следствием процедуры перенормировки является то, что эффективная константа связи в теории КХД зависит от энергии, на которой она измеряется, уменьшаясь до нуля при очень высоких энергиях. Это явление, называемое асимптотической свободой, подразумевает, что поведение кварков внутри адрона очень напоминает поведение свободных частиц в столкновениях при высоких энергиях и может описываться с использованием методов теории возмущений. Результаты, предсказанные теорией возмущений, довольно хорошо согласуются в качественном отношении с наблюдениями, хотя еще никто не взял на себя смелость заявить, что теория полностью подтверждена экспериментально. При низких энергиях эффективная константа связи становится очень большой и теория возмущений нарушается. Есть надежда, что это «инфракрасное рабство» в конце концов позволит понять, почему кварки всегда группируются в бесцветные связанные состояния, хотя до сих пор еще никто не смог убедительно это продемонстрировать.

Естественно, что после того, как была создана одна перенормируемая теория для сильных взаимодействий и другая – для слабых и электромагнитных взаимодействий, появилось желание поискать теорию, которая смогла бы объединить эти две. Подобным теориям дается весьма пышный титул: теория великого объединения (ТВО). Это некоторое преувеличение, поскольку они вовсе не такие великие и не такие уж объединяющие, и даже не вполне теории, так как обладают целым рядом неопределенных параметров перенормировки, таких как константы связи и массы. Тем не менее они могут рассматриваться как существенный шаг вперед на пути к созданию всеобъемлющей теории объединения. Основная идея заключается в том, что эффективная константа связи коротких взаимодействий, которая велика при малых энергиях, за счет асимптотической свободы постепенно уменьшается при высоких энергиях. С другой стороны, эффективная константа связи в теории Салама – Вайнберга, малая при низких энергиях, постепенно возрастает при высоких энергиях, потому что эта теория не является асимптотически свободной. Если проэкстраполировать темп возрастания и уменьшения констант связи на низких энергиях, то обнаружится, что эти две константы связи становятся равными при энергии порядка 10¹⁵ Гэ В. (Гэ В – гигаэлектрон-вольты; 1 Гэ В = 1 млрд электрон-вольт. Эта энергия примерно равна той, которая высвободилась бы при полном превращении атома водорода в энергию. Сравните это с энергией, высвобождаемой в химических реакциях типа горения: она равна одному электрон-вольту на атом.) Теории предполагают, что при более высоких энергиях сильные взаимодействия объединяются со слабыми и электромагнитными, а при низких энергиях наступает спонтанное нарушение симметрии.

Энергия 10¹⁵ Гэ В находится за пределами возможностей лабораторного оборудования. Современное поколение ускорителей частиц может дать энергии в системе центра масс порядка 10 Гэ В, а следующее поколение будет способно давать приблизительно 100 Гэ В[24]24
  Большой адронный коллайдер может дать энергию в системе центра масс до 14 Тэ В. 1 Тэ В (тераэлектронвольт) = 10¹² э В = 10³ Гэ В. – Прим. ред.


[Закрыть]. Этого будет достаточно для исследования диапазона энергий, в котором электромагнитные взаимодействия должны объединиться со слабыми согласно теории Салама – Вайнберга, но исследование очень высоких энергий, при которых будет возможность объединить слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия, по-прежнему будет недоступно. Тем не менее, в рамках ТВО можно сделать некоторые предсказания, касающиеся низких энергий, которые можно проверить в лаборатории. Например, теории предсказывают, что протон не является абсолютно устойчивой частицей – время его распада составляет порядка 10³¹ лет. Современная оценка нижнего предела времени жизни протона составляет 10³⁰ лет, но она еще требует уточнения.

Еще одно наблюдательное предсказание касается отношения числа барионов к фотонам во Вселенной. Законы физики одинаковы для частиц и античастиц. Точнее говоря, они не меняются, если частицы заменить античастицами, «право» на «лево», а скорости всех частиц заменить на противоположные. В этом суть CPT-теоремы[25]25
  CPT-теорема – от англ. терминов charge, parity и time – заряд, четность (свойство сохранять знак) и время. Если в природе происходит некоторый процесс, в силу СРТ-инвариантности точно с такой же вероятностью может происходить СРТ-сопряженный процесс, в котором частицы заменены соответствующими античастицами, проекции их спинов (собственных моментов количества движения) изменили знак, а начальное и конечное состояния поменялись местами. – Прим. ред.


[Закрыть], являющейся следствием основных предположений, которые должны выполняться в любой разумной теории. Но Земля да и вся Солнечная система построены из протонов и нейтронов без примеси антипротонов или антинейтронов. Такой дисбаланс между частицами и античастицами является еще одним априорным условием нашего существования. Действительно, если бы Солнечная система состояла из смеси частиц и античастиц в равных количествах, они бы сразу аннигилировали, превратившись в излучение. Опираясь на наблюдения, которые говорят об отсутствии такого аннигиляционного излучения, мы можем сделать вывод, что наша Галактика состоит из частиц, а античастиц в ней нет. У нас нет прямого свидетельства по поводу других галактик, но, скорее всего, они тоже состоят из частиц. Вероятно, вся Вселенная характеризуется переизбытком частиц над античастицами в соотношении примерно одна частица на 10⁸ фотонов. Можно попытаться объяснить этот факт, вновь сославшись на антропный принцип, но теории великого объединения могут объяснить этот дисбаланс по-другому. Хотя все взаимодействия, судя по всему, инвариантны по отношению к комбинации C (замене частиц на античастицы), P (замене правого на левое) и T (замене направления течения времени), известно, что есть такие взаимодействия, которые не являются инвариантными по отношению к одному T. На ранних этапах зарождения Вселенной, на которых расширение задавало явно выраженную стрелу времени, эти взаимодействия могли привести к возникновению большего количества частиц по сравнению с античастицами. Но численные оценки сильно зависят от вида модели, поэтому согласие с наблюдениями здесь вряд ли можно считать подтверждением ТВО.

До настоящего времени усилия были в основном направлены на объединение первых трех категорий физических взаимодействий: сильных и слабых ядерных, а также электромагнитных. Гравитацию до сих пор обходили стороной. Объяснением этого может служить тот факт, что гравитация настолько слаба, что квантовые гравитационные эффекты могут проявиться только при энергиях, намного превышающих возможности любого ускорителя частиц. Кроме того, гравитация, по-видимому, не поддается перенормировке. Чтобы получить результат с конечной величиной, кажется, придется сделать бесконечное количество вычитаний бесконечных величин, которые приведут к бесконечному количеству неопределенных конечных остатков. Но учитывать гравитацию необходимо, если мы хотим построить полностью единую теорию. Более того, классическая теория ОТО предсказывает, что должны существовать пространственно-временные сингулярности, в которых гравитационное поле будет бесконечно большим. Такие сингулярности могли быть в прошлом, в начале современного расширения Вселенной (Большой взрыв), и могут произойти в будущем при гравитационном коллапсе звезд и, возможно, самой Вселенной. Наличие сингулярностей в теории, возможно, свидетельствует о том, что от классической теории придется отказаться. Но вряд ли это произойдет раньше, чем мы встретимся с очень сильными гравитационными полями, в которых будут иметь значение квантовые гравитационные эффекты. Таким образом, квантовая теория гравитации необходима при описании ранней Вселенной и при попытках объяснить начальные условия ее возникновения, не ссылаясь на антропный принцип.

Такая теория также потребуется, если мы хотим ответить на вопрос: существует ли у времени начало и существует ли у него конец, как это предсказывается классической ОТО, либо сингулярности Большого взрыва и Большого хруста[26]26
  В англ. варианте Big Crunch; в русскоязычной литературе упоминается как Большой хруст или Большой хлопок. По мнению ученых, стадия расширения Вселенной может через несколько миллиардов лет смениться стадией сжатия, которая закончится сингулярностью – состоянием с бесконечной плотностью. – Прим. ред.


[Закрыть] «размазываются» квантовыми эффектами? Это сложный вопрос, и вряд ли он имеет особый смысл, тем более что сама структура пространства и времени подвержена принципу неопределенности. Лично я думаю, что сингулярности по-прежнему существуют, хотя в некотором математическом смысле время можно продолжить и за их пределы. Однако тогда нужно распрощаться с субъективной концепцией времени, связанной с наличием сознания или способностью проводить измерения.

Каковы перспективы создания квантовой теории гравитации и объединения ее с остальными тремя видами взаимодействий? Наибольшие надежды мы возлагаем на теорию супергравитации как обобщение ОТО. В этой теории гравитон (частица со спином 2, которая переносит гравитационное взаимодействие) связывается с другими полями с более низким спином с помощью так называемых суперсимметричных преобразований. Большое преимущество этой теории заключается в том, что с ее помощью можно покончить с вечным противоречием между «материей», представленной частицами с полуцелым спином, и «взаимодействиями», представленными частицами с целым спином. Еще одно достоинство теории – многие бесконечные величины, возникающие в квантовой теории, взаимно уничтожаются. Пока мы не знаем, будет ли это конечная теория, в которой все они исчезнут и не придется делать никаких вычитаний бесконечностей. Есть надежда, что именно так и будет. Во всяком случае, можно показать, что теории, описывающие гравитацию, являются либо конечными, либо не поддающимися перенормировке. То есть если нам нужно произвести вычитание бесконечных величин, нам придется делать это бесконечное количество раз и, соответственно, получить бесконечное количество неопределенных величин в остатке. Таким образом, если окажется, что все бесконечности в супергравитации уничтожат друг друга, мы будем иметь теорию, которая не только полностью объединит все материальные частицы и взаимодействия, но и будет полной в том смысле, что в ней будет отсутствовать любая неопределенность, связанная с перенормировкой параметров.

Хотя у нас до сих пор нет подходящей квантовой теории гравитации, не говоря уже о теории, которая объединяла бы ее с другими физическими взаимодействиями, некоторое представление о том, как должна будет выглядеть будущая теория, у нас все же есть. Первое: гравитация должна влиять на причинную структуру пространства-времени, то есть определять, какие события могут быть причинно связаны друг с другом. Примером такой причинно-следственной связи в классической ОТО может служить черная дыра, которая есть не что иное, как область пространства-времени с чрезвычайно сильным гравитационным полем, которое «захватывает» свет и любые другие сигналы и не дает им вылететь во внешний мир. Интенсивное гравитационное поле рядом с черной дырой порождает пары частица-античастица, одна из которых падает на черную дыру, а другая улетает на бесконечность. Частицы, улетающие прочь, выглядят как излучение черной дыры. Внешний наблюдатель может фиксировать только те частицы, которые исходят от черной дыры, и не может ничего сказать о других, падающих на черную дыру, – он просто их не видит. Это означает, что исходящие частицы имеют чрезмерную степень случайности и непредсказуемости, выходящую за рамки той, которую обычно ассоциируют с принципом неопределенности. В нормальных ситуациях принцип неопределенности предполагает, что можно точно предсказать либо положение, либо скорость частицы, либо комбинацию положения и скорости. Таким образом, грубо говоря, возможность делать точные предсказания сокращается наполовину. Однако в том случае, когда частицы излучаются черной дырой, тот факт, что мы не можем наблюдать события, происходящие внутри черной дыры, означает, что мы не можем точно предсказать ни положения, ни скорости излучаемых частиц. Мы можем говорить только о вероятностях того, что частицы будут излучаться определенным образом.

По-видимому, это означает, что даже если мы разработаем единую теорию, мы будем способны делать только статистические предсказания. Нам следует также отказаться от точки зрения, согласно которой существует только одна Вселенная, которую мы наблюдаем. Вместо этого мы должны принять картину мира, в которой существует целый ансамбль всевозможных вселенных с некоторым распределением вероятности. Это могло бы объяснить, почему Вселенная родилась в Большом взрыве в условиях почти идеального теплового равновесия, так как тепловое равновесие соответствовало наибольшему количеству микроскопических конфигураций и, следовательно, наивысшей вероятности. Перефразируя Панглосса[27]27
  Панглосс – вымышленный персонаж в философском романе Вольтера «Кандид». – Прим. ред.


[Закрыть], персонажа книги знаменитого философа Вольтера, можно сказать: «Мы живем в наиболее вероятном из всех возможных миров».

Каковы перспективы того, что мы найдем полную единую теорию в обозримом будущем? Каждый раз, как мы проникаем в более мелкие масштабы и на более высокие энергии, мы открываем новые слои мироздания. В начале XX века открытие Броуновского движения частиц с типичной энергией 3×10^-2 э В показало, что материя не сплошная, а состоит из атомов. Вскоре после этого было открыто, что эти предположительно неделимые атомы сами состоят из электронов, вращающихся вокруг ядер с энергиями порядка нескольких электрон-вольт. Затем было установлено, что ядро в свою очередь состоит из так называемых элементарных частиц, протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными связями с энергиями порядка 10⁶ э В. Последним эпизодом в этой истории стало открытие, что протон и электрон состоят из кварков, которые удерживаются связями с энергиями порядка 10⁹ э В. Именно благодаря всем этим достижениям теоретической физики мы теперь строим колоссальные машины, на которые тратим колоссальные деньги, чтобы ставить на них эксперименты, результаты которых мы не можем предсказать.