Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

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