Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

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] «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], 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.

Весь наш предыдущий опыт говорит о том, что существует бесконечная последовательность слоев мироздания на все более и более высоких энергетических уровнях. Такой взгляд на бесконечный регресс по принципу матрешки господствовал в Китае во времена «Банды четырех». Но представляется, что гравитация обозначит границы этого регресса, но только на очень мелких масштабах (10-33 см) или при очень высоких энергиях (1028 эВ). Следует ожидать, что на еще более мелких масштабах пространство-время больше не будет вести себя как гладкий континуум и приобретет пеноподобную структуру из-за квантовых флуктуаций гравитационного поля[28].

Существует очень большая неисследованная область между нашим современным экспериментальным пределом около 1010 э В