Теория всего (Происхождение и судьба Вселенной)

Поначалу я верил в уменьшение беспорядка при обратном сжатии Вселенной. А всё потому, что считал, будто с уменьшением размеров Вселенная должна вернуться к упорядоченному и однородному состоянию. Это означало бы, что в фазе сжатия время, за которое произошла стадия расширения, потечёт вспять. Люди в фазе сжатия проживали бы свою жизнь от конца к началу. Умирали бы раньше, чем рождались, и молодели бы по мере сжатия Вселенной. Эта идея привлекательна, поскольку устанавливает точную симметрию между фазами расширения и сжатия. Однако её нельзя принять саму по себе, независимо от других представлений о Вселенной. Вопрос в следующем: согласуется она или нет с предположением об отсутствии границы?

Как уже упоминалось, я поначалу думал, что условие об отсутствии границы действительно предполагает уменьшение беспорядка в фазе сжатия Вселенной. Это убеждение основывалось на работе над простой моделью Вселенной, в которой фаза сжатия похожа на обращённую во времени фазу расширения. Однако мой коллега Дон Пейдж указал, что это условие вовсе не требует со всей неизбежностью, чтобы фаза сжатия была подобна обращённой во времени фазе расширения. Позднее мой студент Раймон Лафламм обнаружил, что в чуть более сложной модели процесс сжатия Вселенной существенно отличается от расширения. Я понял, что допустил ошибку. На самом деле условие отсутствия границы не предполагало, что беспорядок будет уменьшаться в фазе сжатия. Ни в сжимающейся Вселенной, ни в чёрной дыре термодинамическая и психологическая стрелы времени не меняют своего направления.

Что же делать, когда обнаруживаешь, что совершил такую ошибку? Кое-кто, подобно Эддингтону, никогда не признают, что ошибались. Они продолжают искать новые, зачастую взаимоисключающие, аргументы в поддержку своей позиции. Другие делают вид, будто никогда всерьёз не поддерживали неверных взглядов, а если и поддерживали, то только для того, чтобы выявить их несостоятельность. Я мог бы привести множество примеров, но не стану, потому что это не прибавит мне популярности. Самым лучшим и щадящим самолюбие выходом мне представляется признание своей ошибки в печати. Хорошим примером может служить Альберт Эйнштейн, признавший, что введение космологической постоянной для обоснования стационарной модели Вселенной было величайшей ошибкой его жизни.

Седьмая лекция. Теория всего

Было бы очень трудно с одной попытки создать полную объединённую теорию всего на свете. Так что вместо этого мы продвигались вперёд, развивая частные теории. Они описывают ограниченный набор событий, пренебрегая другими эффектами или оценивая их приближённо определёнными величинами. Например, в химии мы можем рассчитывать взаимодействия между атомами, не зная внутреннего строения атомного ядра. В идеале, конечно, мы должны стремиться к построению полной, непротиворечивой, объединённой теории, которая включала бы в себя все частные теории как приближения. Поиски такой теории получили название «объединения физики».

Эйнштейн почти все последние годы жизни потратил на неудачные поиски объединённой теории, однако её время тогда ещё не пришло: слишком мало было известно о ядерных силах. Более того, Эйнштейн отказывался верить в реальность квантовой механики, несмотря на ту важную роль, которую сыграл в её развитии. Тем не менее принцип неопределённости, похоже, является фундаментальной особенностью Вселенной, в которой мы живём. Поэтому не может быть успешной объединённой теории без этого принципа.

Перспективы создания такой теории представляются более реальными сегодня, когда мы гораздо больше знаем о Вселенной. Но не стоит обольщаться. Мы уже обманывались в прошлом. В начале XX в., например, считалось, что всё можно объяснить с помощью свойств непрерывной материи, таких как упругость и теплопроводность. Конец этому положило открытие структуры атома и принципа неопределённости. В то время, в 1928 г., немецкий физик Макс Борн сказал группе посетителей Гёттингенского университета: «Развитие известной нам физики, по-видимому, завершится в ближайшие шесть месяцев». Его уверенность опиралась на недавнее открытие Дирака, который вывел уравнение, описывающее поведение электрона. Предполагалось, что сходное уравнение будет управлять поведением протона, единственной другой элементарной частицы, известной в то время, и это будет концом теоретической физики. Однако открытие нейтрона и ядерных сил опрокинуло эти представления.

Говоря так, я всё же верю, что существует почва для осторожного оптимизма: возможно, мы близки к концу поисков основных законов природы. В настоящее время мы располагаем целым рядом частных теорий. У нас есть общая теория относительности, частная теория гравитации и частные теории сильного и слабого ядерных взаимодействий, а также электромагнетизма. Последние три могут составить так называемую великую объединённую теорию. Но удовлетвориться этим нельзя, потому что она не включает в себя теорию гравитации. Основная сложность на пути объединения гравитации с другими физическими взаимодействиями состоит в том, что общая теория относительности является классической, то есть в неё не входит принцип неопределённости квантовой механики. Между тем другие частные теории существенным образом зависят от квантовой механики. Поэтому первым необходимым шагом представляется объединение общей теории относительности с принципом неопределённости. Как уже было показано, это имело бы некоторые замечательные следствия, например, такие, что чёрные дыры не так уж черны, а Вселенная полностью замкнута и не имеет границы. Но вот проблема: принцип неопределённости предполагает, что даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары должны обладать бесконечной энергией. А значит, их гравитационное притяжение должно бы свернуть Вселенную до бесконечно малого размера.

Довольно похожие, по-видимому абсурдные, бесконечности встречаются в других квантовых теориях. Однако в этих других теориях их удаётся исключать при помощи операции, называемой перенормировкой. Она включает подгонку масс частиц и сил их взаимодействий за счёт введения новых бесконечностей. Хотя подобная операция довольно сомнительна с точки зрения математики, она работает. С её помощью удалось получить предсказания, которые с невероятной точностью согласуются с наблюдениями. Перенормировка, однако, имеет существенный недостаток с точки зрения создания объединённой теории. При вычитании бесконечности из бесконечности можно получить любой желаемый результат. Следовательно, теория не позволяет предсказывать действительные значения масс частиц и сил взаимодействий. Вместо этого их приходится подбирать, подгоняя под наблюдения. В общей теории относительности можно подгонять только две величины — силу притяжения и космологическую постоянную. Но этого недостаточно для исключения всех бесконечностей. Таким образом, мы имеем теорию, которая, похоже, предсказывает, что некоторые величины, например кривизна пространства-времени, действительно бесконечны, и в то же время наблюдения и измерения показывают, что они имеют конечные значения. В попытке преодолеть это препятствие в 1976 г. была предложена теория супергравитации. По сути, это была общая теория относительности, предполагающая существование некоторых дополнительных частиц.

В общей теории относительности носителем гравитационных сил является гравитон, гипотетическая частица со спином 2. К ней добавили частицы со спинами 3/2, 1, 1/2 и 0. В некотором смысле их можно рассматривать в качестве различных аспектов одной и той же «суперчастицы». Виртуальные пары частица/античастица со спинами 1/2 и 3/2 должны обладать отрицательной энергией, которая погасит положительную энергию виртуальных пар частиц со спинами 0,1 и 2. Таким способом можно сократить многие из возможных бесконечностей, но, по-видимому, не все. Однако вычисления, способные прояснить, останутся ли несокращёнными некоторые бесконечности, настолько сложны и трудоёмки, что пока никто не готов их проделать. Полагают, что даже при использовании компьютера на это ушло бы не менее четырёх лет. И очень высока вероятность того, что в расчётах будет допущена по меньшей мере одна ошибка, а может, и больше. Поэтому точность выведенного результата потребовалось бы подтвердить проделанными ещё кем-то повторными расчётами, давшими тот же итог, что представляется маловероятным.