Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы Хокинг Стивен
С первого взгляда трудно себе представить два более разобщённых понятия, чем чёрные дыры и элементарные частицы. Обычно мы представляем себе чёрные дыры самыми ненасытными из небесных тел, а элементарные частицы — самыми незаметными частицами материи. Однако исследования конца 1960-х и начала 1970-х гг., включая работы Деметриоса Христодулу, Вернера Израэля, Ричарда Прайса, Брендона Картера, Роя Керра, Дэвида Робинсона, Хокинга и Пенроуза, показали, что, возможно, чёрные дыры и элементарные частицы не так уж и различны, как это может показаться. Эти физики обнаружили весьма веские свидетельства в пользу того, что Джон Уилер суммировал фразой: «У чёрных дыр нет волос». Уилер имел в виду, что за вычетом небольшого числа отличительных особенностей все чёрные дыры выглядят одинаково. Какие же это отличительные особенности? Первая, конечно, это масса чёрной дыры. А остальные? Исследования показали, что ими являются электрический заряд и некоторые другие возможные заряды, а также её скорость вращения. И это всё. Любые две чёрные дыры с одинаковыми массами, зарядами и спинами совершенно идентичны. У чёрных дыр нет модных «причёсок», т. е. других присущих им свойств, по которым одну из них можно было бы отличить от другой. Для физика этот факт — удары в набат. Вспомним, что именно этими свойствами — массой, зарядом и спином — отличаются друг от друга элементарные частицы. Схожесть определяющих характеристик неоднократно приводила некоторых физиков к мысли о том, что чёрные дыры, в действительности, могут быть гигантскими элементарными частицами.
Действительно, в теории Эйнштейна не существует ограничений на минимальную массу чёрной дыры. Согласно теории относительности, если сжать кусок вещества любой массы до достаточно малых размеров, то он превратится в чёрную дыру (чем меньше масса, тем сильнее его нужно сдавливать). Можно придумать мысленный эксперимент, в котором берутся сгустки материи всё меньшей массы, эти сгустки сжимаются до чёрных дыр всё меньших размеров и свойства таких чёрных дыр сравниваются со свойствами элементарных частиц. Из утверждения Уилера об отсутствии волос можно сделать вывод о том, что образованные таким способом чёрные дыры будут очень похожи на элементарные частицы. И те и другие выглядят как мельчайшие сгустки материи, полностью характеризующиеся массами, зарядами и спинами.
Однако есть небольшая загвоздка. Чёрные дыры во Вселенной, массы которых во много раз больше массы Солнца, так велики и тяжелы, что для описания их свойств не нужна квантовая механика, и вполне достаточно уравнений общей теории относительности. (Здесь обсуждается общая структура чёрной дыры, а не область сингулярности внутри неё. Ввиду крошечных размеров этой области, здесь, несомненно, потребуется квантово-механическое описание.) Но размеры чёрных дыр уменьшаются по мере уменьшения их масс в нашем мысленном эксперименте, и в какой-то момент квантовая механика начинает играть роль. Это происходит, когда масса чёрной дыры становится порядка планковской. (С точки зрения физики элементарных частиц планковская масса велика и равна примерно 1019 массы протона, но с точки зрения физики чёрных дыр эта масса крайне мала.) Поэтому физики, рассуждавшие о возможном близком родстве между элементарными частицами и чёрными дырами, сразу же натыкались на несовместимость квантовой теории с теорией относительности, лежащей в основе описания чёрных дыр. В прошлом эта несовместимость парализовала продвижение теоретиков в таком захватывающе интересном направлении.
Позволяет ли теория струн продвигаться вперёд?
Да. Совершенно неожиданный и весьма утончённый подход к изучению чёрных дыр в рамках теории струн начинает давать первые теоретические обоснования взаимосвязи между чёрными дырами и элементарными частицами. Дорога к установлению этой взаимосвязи не всегда прямая, но она проходит по просторам ярких открытий в теории струн, и путешествие по ней не будет скучным.
В качестве отправной точки рассмотрим похоже совсем несвязанный вопрос, который теоретики долбили со всех сторон с конца 1980-х гг. Математикам и физикам было давно известно, что при свёртывании шести пространственных измерений в многообразие Калаби — Яу существует два типа сфер, вложенных в структуру пространства. Сферы первого типа двумерные и похожи на поверхность надувного мяча. Они играли большую роль в обсуждении флоп-перестроек с разрывом пространства в главе 11. Другие сферы представить сложнее, но они встречаются столь же часто. Это трёхмерные сферы, подобные поверхностям надувных мячей, в которые играют на песчаных океанских пляжах во вселенной с четырьмя протяжёнными пространственными измерениями. Обычный же надувной мяч, естественно, является трёхмерным, и только его поверхность, как и поверхность Садового шланга, имеет два измерения. Любую точку на этой поверхности можно задать с помощью двух координат, например широты и долготы. Но сейчас мы хотим представить себе ещё одно измерение, так что мяч окажется четырёхмерным, а его поверхность — трёхмерной. А так как представить это визуально почти невозможно, мы, как правило, будем прибегать к наглядной аналогии в случае меньшего числа измерений. Однако, как мы сейчас увидим, одна черта трёхмерной природы сферических поверхностей имеет важнейшее значение.
Изучая уравнения теории струн, физики осознали возможность и даже высокую вероятность того, что в процессе эволюции во времени эти трёхмерные сферы могут стягиваться, коллапсировать до исчезающе малых размеров. Но что произойдёт, задавались вопросом физики, если и структура пространства будет стягиваться аналогичным образом? Не приведёт ли такое сжатие пространства к каким-нибудь катастрофическим эффектам? Подобный вопрос уже ставился и был решён нами в главе 11, но там рассматривался только коллапс двумерных сфер, а сейчас наше внимание сосредоточено на изучении трёхмерных сфер. (Так же, как и в главе 11, поскольку стягивается лишь часть многообразия Калаби — Яу, а не всё пространство, то аргументы главы 10, позволяющие отождествить малые и большие радиусы, неприменимы.) И вот в чём состоит качественное отличие, связанное с изменением числа измерений.{87} Как описывалось в главе 11, важнейшим свойством движущихся струн является их способность экранировать двумерные сферы. Иными словами, двумерная мировая поверхность струны может целиком окружить двумерную сферу, как показано на рис. 11.6. Этого оказывается достаточно для защиты от катастрофических последствий, возможных при коллапсе двумерной сферы. Но сейчас мы рассматриваем другой тип сфер в пространстве Калаби — Яу, и у этих сфер слишком много измерений, чтобы движущаяся струна могла их окружить. Если понимание последнего утверждения вызывает у читателя сложности, можно без проблем рассмотреть аналогию с числом размерностей на единицу меньше. Трёхмерные сферы можно представлять себе в виде двумерных поверхностей надувного мяча, если при этом одномерные струны рассматривать в качестве нульмерных точечных частиц. Ясно, что нульмерная точечная частица не сможет окружить двумерную сферу, поэтому одномерная струна не сможет опоясать трёхмерную сферу.
Подобные рассуждения привели теоретиков к выводу, что при коллапсе трёхмерной сферы внутри пространства Калаби — Яу (который вполне допускается приближёнными уравнениями, если вообще не является рядовым явлением в теории струн) возможны катастрофические последствия. Действительно, из известных к середине 1990-х гг. приближённых уравнений теории струн, казалось бы, следовало, что если такой коллапс случится, Вселенной придёт конец: некоторые расходимости, которые сокращаются в теории струн, в случае подобного перетягивания структуры пространства перестанут сокращаться. Несколько лет физикам приходилось мириться с этим неприятным, хотя и не окончательно установленным фактом. Но в 1995 г. Эндрю Строминджер показал, что подобные предсказания неверны, и конец света ещё далёк.
Строминджер, следуя более ранней потрясающей работе Виттена и Зайберга, опирался на то, что теория струн в свете новых открытий, сделанных во время второй революции в теории суперструн, не есть лишь теория одномерных струн. Он рассуждал так. Одномерная струна, т. е. 1-брана на новом языке теоретиков, может полностью окружить одномерный пространственный объект, например изображённую на рис. 13.1 окружность. (Отметим различие с рис. 11.6, где одномерная движущаяся во времени струна опоясывала двумерную сферу.
Рис. 13.1. Струна может обернуть одномерный свёрнутый элемент пространства, а двумерной мембраной можно обернуть двумерный объект
Рис. 13.1 можно рассматривать в качестве мгновенной фотографии.) Аналогично, на рис. 13.1 видно, что двумерная мембрана, т. е. 2-брана, может обернуть и полностью покрыть собой двумерную сферу, подобно тому, как полиэтиленовая плёнка плотно обёртывает поверхность апельсина. По аналогии Строминджер предположил, что открытые недавно трёхмерные объекты теории струн, т. е. 3-браны, могут окутывать и полностью покрывать собой трёхмерные сферы, хотя это и сложно представить себе наглядно. Ясно ощутив эту аналогию и выполнив простые стандартные расчёты, Строминджер показал, что 3-брана является как на заказ скроенным экраном, в точности компенсирующим потенциально катастрофические последствия возможного коллапса трёхмерной сферы, которых так боялись физики.
Это был прекрасный и важный результат. Но вся его сила открылась лишь некоторое время спустя.
Убеждённо разрывая ткань пространства
У физики есть одна захватывающая особенность: уровень понимания этой науки может измениться буквально за одну ночь. На следующее утро после того, как Строминджер послал свою статью в электронную базу данных, я скачал её из Интернета и прочёл в своём кабинете в Корнелле. Используя новые достижения теории струн, Строминджер одним махом разрешил считавшийся одним из самых запутанных вопрос о свёртывании лишних измерений в пространство Калаби — Яу. Но после того как я разобрался в статье, мне пришло в голову, что он, возможно, раскрыл лишь половину того, что могло стоять за этой проблемой.
В описанной в главе 11 более ранней работе о флоп-перестройках с разрывом пространства мы исследовали двухэтапный процесс, в котором двумерная сфера стягивается в точку, приводя к разрыву структуры пространства, а затем раздувается по другим законам, приводя к восстановлению этой структуры. В своей статье Строминджер исследовал, что происходит при сжатии в точку трёхмерной сферы; он показал, что благодаря открытым недавно протяжённым объектам в теории струн физические свойства остаются хорошо определёнными. И на этом его работа заканчивалась. Но нельзя ли исследовать второй этап, включающий, как и ранее, разрыв пространства и его последующее восстановление путём раздутия сфер?
Во время весеннего семестра 1995 г. у меня в Корнелле гостил Дейв Моррисон, и в тот день мы встретились, чтобы обсудить статью Строминджера. Через пару часов нам в общих чертах уже было понятно, что представляет собой второй этап. Вспомнив как Канделас, Грин и Тристан Хюбш (в то время работавший в Техасском университете в Остине) использовали некоторые результаты конца 1980-х гг., полученные математиками Гербом Клеменсом из университета штата Юта, Робертом Фридманом из Колумбийского университета и Майлсом Рейдом из университета в Уорвике, мы поняли, что при коллапсе трёхмерной сферы возможен разрыв пространства Калаби — Яу и его последующее восстановление при повторном раздутии сферы. Но здесь нас ожидал сюрприз. Коллапсирующая сфера имела три измерения, а раздувающаяся — всего лишь два. Сложно описать, как это выглядит, но можно проиллюстрировать идею, пользуясь аналогией с меньшим числом измерений. Вместо того чтобы пытаться представить коллапс трёхмерной сферы и её замещение двумерной сферой, представим себе коллапс одномерной сферы и её замещение нульмерной.
Прежде всего, что такое одномерная или нульмерная сфера? Будем рассуждать по аналогии. Двумерная сфера — это совокупность точек трёхмерного пространства, расположенных на одинаковых расстояниях от выбранного центра, как показано на рис. 13.2а.
Рис. 13.2. Сферы разных размерностей, допускающих наглядное изображение: а) двумерная, б) одномерная, в) нульмерная
По аналогии с этим, одномерная сфера есть совокупность точек двумерного пространства (например, поверхности этой страницы), расположенных на одинаковых расстояниях от выбранного центра. Как показано на рис. 13.2б, это просто окружность. Наконец, согласно той же аналогии нульмерная сфера есть совокупность точек одномерного пространства (прямой линии), расположенных на одинаковых расстояниях от общего центра. Таким образом, аналогия с меньшим числом измерений, упоминавшаяся в предыдущем параграфе, приводит к окружности (одномерной сфере), которая стягивается, затем происходит разрыв пространства, и окружность замещается нульмерной сферой (двумя точками). На рис. 13.3 иллюстрируется конкретная реализация этой абстрактной идеи.
Рис. 13.3. Окружность в обхвате баранки (тора) коллапсирует в точку. Поверхность рвётся, и образуются два прокола. В них «вклеивается» нульмерная сфера (две точки), которая замещает исходную одномерную сферу (окружность) и восстанавливает порванную поверхность. При этом становится возможным преобразование в фигуру совершенно иной формы — надувной мяч
Предположим, что сначала имеется поверхность тора (баранки), в которую вложена одномерная сфера (окружность) — она выделена на рис. 13.3. Теперь представим, что с течением времени эта окружность стягивается, и структура пространства рвётся. Можно восстановить пространство, позволив ему разорваться лишь на мгновение и заменив сжатую одномерную сферу (стянутую окружность) нульмерной сферой — двумя точками, затыкающими отверстия в верхней и нижней части образовавшейся после разрыва фигуры. Как показано на рис. 13.3, в результате получится фигура, похожая на кривой банан, которую затем можно постепенно и гладко (без разрывов пространства) продеформировать в поверхность надувного мяча. В итоге мы видим, что при коллапсе одномерной сферы и замещении её нульмерной топология исходного тора, т. е. его фундаментальная форма, радикально изменяется. В контексте свёрнутых пространственных измерений эволюция с разрывом пространства, изображённая на рис. 13.3, привела бы вселенную, показанную на рис. 8.8, к виду на рис. 8.7.
И хотя всё это лишь аналогия с меньшим числом измерений, здесь улавливаются основные идеи нашей с Моррисоном гипотезы о втором этапе, продолжающем исследования Строминджера. Нам казалось, что после коллапса трёхмерной сферы внутри пространства Калаби — Яу пространство должно разорваться, а затем само собой восстановиться путём отращивания двумерной сферы, приводя к гораздо более серьёзным изменениям топологии, чем те, которые Виттен и мы обнаружили в наших предыдущих работах (см. главу 11). При этом одно многообразие Калаби — Яу может, по существу, превратиться в совершенно иное многообразие Калаби — Яу (подобно тому, как тор превратился в сферу на рис. 13.3), но физические характеристики будут по-прежнему хорошо определены. Хотя картина начала вырисовываться, мы знали, что потребуется проработать некоторые важные моменты до того, как можно будет заявить о том, что на нашем втором этапе не возникают сингулярности, т. е. пагубные и неприемлемые для физики последствия. В тот вечер мы оба отправились домой в приподнятом настроении, ощущая близость нового важного результата.
На следующее утро я получил по электронной почте письмо от Строминджера, спрашивавшего о моей реакции на его статью. Он упомянул, что эта статья «должна быть как-то связана с Вашей работой вместе с Аспинуоллом и Моррисоном». Как выяснилось, он тоже исследовал возможную связь с эффектом изменения топологии. Я немедленно написал ему, очертив грубую схему, к которой мы с Моррисоном пришли накануне. Его ответ показал, что он возбуждён не меньше, чем мы с Моррисоном после вчерашней встречи.
На протяжении следующих нескольких дней между нами троими циркулировал непрерывный поток электронной почты: мы лихорадочно пытались строго на цифрах обосновать идею о радикальном изменении топологии при разрыве пространства. Медленно, но верно, всё вставало на свои места. К следующей среде, через неделю после того, как Строминджер опубликовал свой результат в Интернете, у нас был набросок совместной статьи, в котором описывалось новое поразительное преобразование структуры пространства после коллапса трёхмерной сферы.
На следующий день у Строминджера был запланирован доклад на семинаре в Гарварде, и рано утром он вылетел из Санта-Барбары. Мы договорились, что Моррисон и я будем оттачивать последние детали нашей статьи и к вечеру пошлём её в электронный архив. К 23:45 я проверил и перепроверил все наши вычисления — всё прекрасно сходилось. Поэтому я отослал статью и отправился в корпус физики. Пока мы с Моррисоном шли к машине (я собирался подбросить его до дома, который он снял до конца семестра), наш разговор перешёл в спор, в котором мы сами для себя играли роль критиков, изо всех сил пытающихся доказать, что наши результаты неверны. Пока мы выруливали со стоянки и выезжали с территории университета, мы поняли, что при всей силе и убедительности нашей аргументации, она не является совершенно пуленепробиваемой. Никто из нас не сомневался, что работа безошибочна, но нам пришлось признать, что сила наших доводов и отдельные выбранные нами словесные формулировки в некоторых местах статьи могут дать повод для яростных споров, завуалировав важность полученных результатов. Мы сошлись на том, что при подготовке статьи следует придерживаться более скромной позиции и снизить напор наших доводов: это позволило бы физикам самим оценить достоинства статьи, не втягиваясь в возможные дискуссии по поводу того, в какой форме наши результаты представлены.
По дороге Моррисон напомнил мне, что по правилам электронного архива мы можем редактировать статью до двух ночи, после чего она будет выложена для общего доступа. Я немедленно повернул машину, и мы помчались обратно в корпус физики. Мы забрали первоначальный вариант статьи и стали думать о том, как смягчить её стиль. К счастью, всё было довольно просто. Замена нескольких слов в особо ответственных параграфах сгладила резкие углы нашей аргументации без ущерба для содержания работы. Через час мы отослали статью снова и договорились не упоминать о ней всю дорогу до дома Моррисона.
Ещё до полудня следующего дня стало ясно, что реакция на статью весьма активная. Среди многих ответов по электронной почте было и письмо Плессера. В нём содержалась наивысшая похвала, которой один физик может удостоить другого: «Как жаль, что эта мысль пришла в голову не мне!». Несмотря на наши опасения предыдущей ночи, нам удалось убедить сообщество физиков в том, что структура пространства может подвергаться не только открытым ранее умеренным разрывам (см. главу 11), но и гораздо более сильным, изображённым на рис. 13.3.
Снова о чёрных дырах и элементарных частицах
Есть ли у всего этого какая-нибудь связь с чёрными дырами и элементарными частицами? Таких связей множество. Чтобы это понять, нужно задаться тем же вопросом, что и в главе 11. К каким наблюдаемым следствиям приведут такие разрывы структуры пространства? Для флоп-перестроек, обсуждавшихся выше, неожиданно оказывается, что нет практически никаких наблюдаемых последствий. В случае конифолдных переходов — такое название мы дали недавно переходам с сильным разрывом пространства, — как и ранее, не происходит никакой физической катастрофы (она случилась бы в традиционной теории относительности), но здесь имеется больше ярко выраженных наблюдаемых последствий.
Наблюдаемые последствия основаны на двух связанных идеях. Рассмотрим их по очереди. Во-первых, как обсуждалось выше, суть исходной работы Строминджера состояла в открытии того, что трёхмерная сфера внутри пространства Калаби — Яу может коллапсировать без возникновения катастрофы, так как обёртывающая её 3-брана служит надёжным защитным экраном. Но как выглядит эта конструкция с обёрнутой вокруг сферы 3-браной? Ответ даёт более ранняя работа Хоровица и Строминджера, в которой показано, что для существ типа нас с вами, органам чувств которых прямо доступны лишь три развёрнутых пространственных измерения, «оборачивающиеся» вокруг трёхмерной сферы 3-браны предстанут в виде гравитационного поля сродни полю чёрной дыры.{88} Этот факт не очевиден, и становится ясен только после тщательного изучения описывающих браны уравнений. Здесь, как и выше, сложно изобразить многомерную конфигурацию на двумерном рисунке, но примерное представление по аналогии с двумерными сферами можно получить из рис. 13.4.
Рис. 13.4. Когда брана обёртывает сферу, покоящуюся в свёрнутых измерениях, она выглядит как чёрная дыра в обычных пространственных измерениях
Видно, что двумерная мембрана может обернуться вокруг двумерной сферы (которая сама покоится внутри пространства Калаби — Яу, находящегося в некоторой точке пространства развёрнутых измерений). Некто, наблюдающий эту точку сквозь развёрнутые измерения, почувствует брану по её массе и заряду, и, как показали Хоровиц и Строминджер, судя по этим характеристикам, сможет сделать вывод, что перед ним чёрная дыра. Кроме того, в основополагающей работе 1995 г. Строминджер показал, что масса 3-браны, т. е. масса чёрной дыры, пропорциональна объёму трёхмерной сферы, которую она обёртывает. Чем больше объём сферы, тем больше должна быть обёртывающая её 3-брана, и тем больше её масса. Аналогично, чем меньше объём сферы, тем меньше масса обёртывающей её 3-браны. По мере сжатия сферы обёртывающая её 3-брана, которая выглядит, как чёрная дыра, становится легче. В момент, когда трёхмерная сфера стягивается в точку, соответствующая чёрная дыра (соберитесь с духом!) становится безмассовой. На первый взгляд, это совершенно непостижимо (что это ещё за безмассовая чёрная дыра?), но чуть ниже мы свяжем этот загадочный феномен со знакомой физикой струн.
Во-вторых, напомним, что, как обсуждалось в главе 9, число отверстий многообразия Калаби — Яу определяет число низкоэнергетических (а, следовательно, имеющих малую массу) колебательных мод струны, которыми могут описываться перечисленные в табл. 1.1 частицы, а также типы взаимодействий. Но так как при конифолдных переходах с разрывом пространства число отверстий меняется (например, как на рис. 13.3, где отверстие тора исчезло в процессе разрыва/восстановления), можно ожидать и изменения числа колебательных мод малой массы. Действительно, после того, как Моррисон, Строминджер и я тщательно изучили этот вопрос, мы обнаружили, что при замещении сжимающейся трёхмерной сферы в свёрнутых измерениях Калаби — Яу двумерной сферой число безмассовых колебательных мод струны возрастает ровно на единицу. (Пример, приведённый на рис. 13.3, где баранка превращается в мяч, может создать ложную иллюзию, что число отверстий, а, следовательно, и число мод, уменьшается. На самом деле, это артефакт маломерной аналогии.)
Чтобы связать идеи, описанные в двух предыдущих параграфах, представим себе последовательность снимков пространства Калаби — Яу при постепенном уменьшении размеров некоторой сидящей внутри трёхмерной сферы. Из первой идеи следует, что масса 3-браны, обёртывающей трёхмерную сферу и кажущейся нам чёрной дырой, будет уменьшаться и станет равной нулю в момент коллапса. Теперь, пользуясь второй идеей, мы можем ответить на поставленный выше вопрос о том, что означает обращение массы в ноль. Согласно нашей работе, новая безмассовая колебательная мода струны, возникающая при конифолдном переходе с разрывом пространства, на микроскопических масштабах описывает безмассовую частицу, в которую превращается чёрная дыра. Вывод такой: при эволюции многообразия Калаби — Яу, сопровождающейся конифолдным переходом с разрывом пространства, изначально ненулевая масса чёрной дыры уменьшается до нуля, после чего чёрная дыра превращается в безмассовую частицу (подобную фотону), которая на языке теории струн описывается определённой колебательной модой струны. Таким образом, в теории струн впервые удаётся установить прямую, точную и количественно неопровержимую связь между чёрными дырами и элементарными частицами.
Найденная связь между чёрными дырами и элементарными частицами по своей природе близка классу явлений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, и которые в физике называют фазовыми переходами. Простой пример фазового перехода упоминался в предыдущей главе: вода может существовать в твёрдом состоянии (лёд), в жидком состоянии (жидкая вода) или в газообразном состоянии (пар). Эти состояния называют фазами воды, а превращения из одного состояния в другое — фазовыми переходами. Моррисон, Строминджер и я показали, что между фазовыми переходами и конифолдными переходами многообразий Калаби — Яу существует тесная математическая и физическая связь. Так же, как не видевшее жидкой воды или твёрдого льда существо не поймёт, что перед ним две фазы одного вещества, физики ранее не понимали, что изучавшиеся ими чёрные дыры и элементарные частицы являются двумя фазами одной струнной материи. Подобно тому, как температура определяет фазу, в которой при нормальном давлении находится вода, топологический вид дополнительных измерений Калаби — Яу определяет то, в каком обличии предстанут перед нами определённые физические конфигурации в теории струн: как чёрные дыры или как элементарные частицы. В первой фазе — исходное многообразие Калаби — Яу (для определённости, аналог льда) — будет обнаружено присутствие чёрных дыр. Во второй фазе — другое многообразие Калаби — Яу (аналог воды) — чёрные дыры подверглись фазовому переходу, «растаяли», и перешли в фундаментальные колебательные моды струны. Разрывы пространства при конифолдных переходах переводят многообразия Калаби — Яу из одной фазы в другую. Так что чёрные дыры и элементарные частицы, как вода и лёд, являются двумя сторонами одной монеты. Мы видим, что чёрные дыры хорошо вписываются в формализм теории струн.
Для кардинальных переходов с разрывом пространства и для переходов от одной из пяти формулировок теории струн к другой (см. главу 12) умышленно использовалась одна и та же аналогия с водой, так как эти переходы тесно связаны. Вспомним (см. рис. 12.11), что пять теорий струн дуальны друг другу и, следовательно, объединены под эгидой охватывающей их единой теории. Но сохранится ли возможность непрерывного перехода от одного описания к другому, т. е. возможность попасть в любую точку карты рис. 12.11 из любой другой, и после того, как мы будем свёртывать лишние измерения в разные многообразия Калаби — Яу? До открытия переходов с кардинальным изменением топологии ожидаемый ответ был отрицательным, так как до этого открытия не было известно, как деформировать одно многообразие Калаби — Яу в другое. Однако сейчас мы видим, что ответ положительный. Путём физически допустимых конифолдных переходов с разрывом пространства можно непрерывно преобразовать любое заданное многообразие Калаби — Яу в любое другое. Все струнные модели, полученные изменениями константы связи и геометрии пространства Калаби — Яу, будут разными фазами единой теории. Целостность схемы рис. 12.11 сохранится даже после сворачивания всех дополнительных измерений.
Энтропия чёрной дыры
Многие годы самые лучшие специалисты в области теоретической физики рассуждали о возможности процессов с разрывом пространства и о связи между чёрными дырами и элементарными частицами. Хотя ранее такие рассуждения могли казаться научной фантастикой, открытие теории струн, в результате которого стало возможным объединение общей теории относительности и квантовой теории, позволило уверенно выдвинуть эти вопросы на передний край современной науки. Успехи теории струн вдохновляют на исследование вопроса о том, не могут ли и другие таинственные свойства Вселенной, десятилетиями не поддававшиеся решению, уступить натиску всемогущей теории струн? Важнейшим из этих свойств является энтропия чёрной дыры. Именно в области изучения энтропии чёрной дыры теория струн наиболее выразительно продемонстрировала свою гибкость и дала возможность разрешить важнейшую проблему, поставленную ещё четверть века назад.
Энтропия — это мера беспорядка или хаотичности. Например, если рабочее место завалено открытыми книгами, недочитанными статьями, старыми газетами и ещё не попавшими в мусорное ведро рекламными проспектами, то степень его беспорядка велика, и оно имеет высокую энтропию. И наоборот, если статьи рассортированы по темам в разные папки, газеты аккуратно разложены по номерам, книги расставлены по алфавиту, а все ручки и карандаши стоят в своих подставках, то рабочее место находится в хорошем порядке, и имеет низкую энтропию. Этот пример иллюстрирует суть понятия энтропии, однако учёные дали ей строгое количественное определение, позволяющее описывать энтропию тел с помощью численных значений. Чем больше численное значение, тем больше энтропия, и наоборот. Хотя подробности вычислений не очень просты, это число, грубо говоря, равно числу всевозможных перегруппировок элементов данной физической системы, при которых её общий вид не изменяется. Если рабочее место прибрано, то почти всякая перестановка — изменение порядка газет, книг, статей, или перемещение ручки из держателя на стол — приведёт к нарушению порядка. С другой стороны, если на рабочем месте беспорядок, то при множестве вариантов перекладываний газет, статей и т. д. беспорядок так и останется беспорядком, и общий вид рабочего места не изменится. Поэтому в последнем случае энтропия велика.
Конечно, примеру перегруппировки предметов на рабочем месте с его нечётким определением того, какие именно перегруппировки «не изменяют общий вид», не достаёт научной точности. На самом деле, в строгом определении энтропии рассматриваются микроскопические квантово-механические параметры, описывающие элементарные физические составные части системы, и для этих параметров вычисляется число возможных перегруппировок, при которых итоговые макроскопические параметры (например, энергия или температура) не изменяются. Детали несущественны, если понятен факт, что квантово-механическая энтропия является строгим понятием, позволяющим точно измерять общий беспорядок в физических системах.
В 1970 г. Якоб Бекенштейн, в то время учившийся в аспирантуре Принстонского университета у Джона Уилера, сделал смелое предположение. Он выдвинул замечательную идею о том, что чёрные дыры обладают энтропией, которая очень велика. Бекенштейн опирался на общепризнанное и хорошо проверенное второе начало термодинамики, согласно которому энтропия системы постоянно растёт. Всё движется в направлении ещё большего беспорядка. Даже если физик сделает, наконец, уборку своего рабочего места, уменьшив энтропию, полная энтропия, в которую входит энтропия самого физика и энтропия воздуха в комнате, увеличится. Действительно, на уборку рабочего места уходит энергия, и эта энергия вырабатывается внутри тела физика при расщеплении молекул в упорядоченных жировых складках тела, переходя в мускульную силу. Кроме того, при уборке его тело отдаёт теплоту, и окружающие молекулы воздуха увеличивают скорость, приводя к увеличению беспорядка. Если учесть все подобные эффекты, они с лихвой компенсируют уменьшение энтропии рабочего места, так что полная энтропия возрастёт.
Но что произойдёт, рассуждал далее Бекенштейн, если сделать уборку рабочего места вблизи горизонта событий чёрной дыры и откачать насосом все разогнанные молекулы, образовавшиеся во время уборки, в бездонный омут чёрной дыры? Можно поступить ещё более радикально: откачать весь воздух, всё содержимое рабочего стола вместе со столом, да и самого бедного физика, оставив пустую, зато идеально прибранную комнату. Так как очевидно, что энтропия в комнате уменьшится, Бекенштейн пришёл к выводу, что второе начало термодинамики не будет нарушено лишь в случае, если у чёрной дыры тоже есть энтропия, и эта энтропия постоянно растёт по мере засасывания в чёрную дыру материи, компенсируя наблюдаемое уменьшение энтропии снаружи чёрной дыры.
На самом деле Бекенштейну для усиления своей аргументации удалось даже привлечь знаменитый результат Стивена Хокинга, который показал, что площадь горизонта событий чёрной дыры, т. е. площадь поверхности вокруг чёрной дыры, после пересечения которой нет пути назад, всегда увеличивается при любых физических взаимодействиях. Хокинг продемонстрировал, что если в чёрную дыру попадёт астероид, или если на чёрную дыру попадёт излучение с поверхности близкой звезды, или если две чёрные дыры столкнутся и объединятся, то полная площадь горизонта событий чёрной дыры обязательно увеличится. Для Бекенштейна неуёмный рост этой площади был связующим звеном с неумолимым ростом энтропии согласно второму началу термодинамики. Он предположил, что площадь горизонта событий чёрной дыры и есть точная мера её энтропии.
Однако при ближайшем рассмотрении можно найти два объяснения тому, почему большинство физиков считали, что идея Бекенштейна неверна. Во-первых, чёрные дыры кажутся одними из наиболее упорядоченных и организованных объектов во всей Вселенной. Как только измерена масса, заряд и спин чёрной дыры, её точную идентификацию можно считать завершённой. При столь малом числе определяющих свойств кажется, что у чёрных дыр нет достаточной структуры, в которой мог бы возникнуть беспорядок. Чёрные дыры казались слишком простыми для поддержания беспорядка: если на столе лежат лишь книга и карандаш, трудно разгуляться и устроить на нём хаос. Вторая причина того, что аргументы Бекенштейна воспринимались плохо, заключается в следующем. Как обсуждалось выше, энтропия является квантово-механическом понятием, а чёрные дыры до последнего времени относили к враждебному лагерю традиционной общей теории относительности. В начале 1970-х гг., когда ещё не был известен способ объединения теории относительности и квантовой теории, обсуждение энтропии чёрной дыры казалось, по меньшей мере, нелепым.
Насколько черно чёрное?
Оказалось, что Хокинг тоже думал о схожести закона об увеличении площади горизонта чёрной дыры и закона о неминуемом росте энтропии, но решил, что эта аналогия есть просто совпадение, и выбросил её из головы. В конце концов, рассуждал Хокинг, если принимать аналогию между чёрными дырами и термодинамикой всерьёз, придётся не только отождествить площадь горизонта событий чёрной дыры с энтропией, но при этом, как следовало из его работ и совместных работ с Джеймсом Бардином и Брендоном Картером, приписать чёрной дыре температуру (точное значение которой определялось бы напряжённостью гравитационного поля на горизонте событий). А если у чёрной дыры есть сколь угодно малая ненулевая температура, то она, в соответствии с фундаментальными и хорошо установленными физическими принципами, должна излучать энергию, подобно раскалённому металлическому пруту. Но чёрные дыры — чёрные, и по определению не могут ничего излучать. Хокинг и почти все остальные сошлись на том, что данный факт, несомненно, позволяет исключить из рассмотрения утверждение Бекенштейна. И Хокинг начал склоняться к мысли о том, что если несущая энтропию материя попадает в чёрную дыру, то энтропия теряется, и дело с концом. Так что нечего говорить о втором начале термодинамики.
Так продолжалось до конца 1974 г., когда Хокинг обнаружил нечто совершенно поразительное. Чёрные дыры, объявил Хокинг, не совсем чёрные. Если пренебречь квантовыми эффектами и опираться только на традиционную общую теорию относительности, то чёрные дыры, как было обнаружено ещё шестьдесят лет назад, конечно, не дадут ничему, даже свету, вырваться из своих гравитационных объятий. Но учёт квантово-механических эффектов сильно меняет картину. Даже не обладая квантово-механическим вариантом общей теории относительности, путём ухищрённых приёмов Хокинг сумел построить частичное объединение двух теорий: оно было применимо лишь к небольшому числу ситуаций, но давало надёжные результаты. И наиболее важным из них был результат о том, что на квантовом уровне чёрные дыры действительно излучают.
Расчёты очень длинны и сложны, но основная идея Хокинга проста. Как обсуждалось выше, согласно соотношению неопределённостей даже в пустом пространстве кишит рой виртуальных частиц, на мгновение вырывающихся из вакуума и аннигилирующих друг с другом. Этот хаотический процесс происходит и снаружи чёрной дыры, рядом с её горизонтом событий. И Хокинг понял, что гравитационная сила чёрной дыры может передать энергию паре виртуальных частиц, засасывая внутрь себя одну частицу из пары. Если одна из частиц исчезла в бездне чёрной дыры, то вторая остаётся без партнёра, с которым она может аннигилировать. Вместо этого, как показал Хокинг, уцелевшей частице передаётся энергия гравитационного поля чёрной дыры и, пока её партнёра засасывает в бездну, она выталкивается прочь от чёрной дыры. Хокинг понял, что для наблюдателя, уютно устроившегося на безопасном расстоянии от чёрной дыры, и регистрирующего совокупный результат этого непрерывно происходящего вокруг чёрной дыры разлучения пар, будет казаться, что из чёрной дыры исходит непрерывное излучение. Чёрные дыры светятся.
Более того, Хокингу удалось вычислить температуру, которую наблюдатель приписал бы этому излучению: оказалось, что она определяется напряжённостью гравитационного поля на горизонте чёрной дыры, в точном согласии с аналогией между чёрными дырами и термодинамикой.[46] Бекенштейн был прав, и результаты Хокинга показали, что его аналогию следует воспринимать всерьёз. На самом деле результаты показали, что это даже не аналогия — это тождественность. У чёрной дыры есть энтропия. У чёрной дыры есть температура. И законы физики гравитации чёрной дыры — не что иное, как законы термодинамики в крайне необычных условиях. В этом состоял ошеломляющий результат исследований Хокинга 1974 г.
Чтобы читатель понял, о каких масштабах величин идёт речь, приведём пример: чёрная дыра с массой, втрое превышающей массу Солнца, будет, после учёта всех эффектов, иметь температуру примерно 108 K. Не нуль — но только чуть теплее. Чёрные дыры не точно черны — но только чуть светлее. К сожалению, по этой приине излучение чёрной дыры очень слабое, и его невозможно обнаружить экспериментально. Однако есть исключение. Из вычислений Хокинга следует ещё один факт: чем меньше масса чёрной дыры, тем выше её температура, и тем сильнее её излучение. Например, излучение чёрной дыры массой с небольшой астероид сравнимо с излучением водородной бомбы мощностью в миллион мегатонн, причём это излучение сконцентрировано на шкале электромагнитных волн в гамма-области. Ночами астрономы пытались поймать такое излучение, но улов был невелик: лишь несколько кандидатов с малыми шансами на успех. Это наводит на мысль, что если чёрные дыры с такими малыми массами и существуют, то они крайне редки.{89} Как часто шутит Хокинг, это плохо, так как если бы предсказанное излучение чёрных дыр обнаружили, Нобелевская премия была бы ему гарантирована.{90}
По сравнению с этой мизерной температурой в миллионные доли градуса, вычисление энтропии чёрной дыры массой три массы Солнца даёт грандиозное число: единицу с 78 нулями! И чем массивнее дыра, тем энтропия больше. Успех расчётов Хокинга недвусмысленно показывает, какой несусветный беспорядок творится внутри чёрной дыры.
Но беспорядок чего? Как мы видели, чёрные дыры — крайне примитивные объекты, в чём же причина этого беспорядка? Здесь расчёты Хокинга полностью немы. Его частичное объединение теории относительности и квантовой теории можно использовать для вычисления значения энтропии чёрной дыры, но постичь её микроскопический смысл с помощью такой теории невозможно. Почти четверть века величайшие физики пытались понять, какими микроскопическими свойствами чёрных дыр можно объяснить такое значение их энтропии. Без действительно надёжного сплава общей теории относительности и квантовой теории могли возникать проблески ответа, но тайна так и оставалась нераскрытой.
Ваш выход, теория струн!
Но так было до конца 1996 г., пока Строминджер и Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, не написали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга», появившуюся в электронном архиве статей по физике. В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определённого класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга и наносил последние штрихи на картину, начатую более двадцати лет назад.
Строминджер и Вафа сосредоточили внимание на так называемых экстремальных чёрных дырах. Такие чёрные дыры наделены зарядом (можно считать его электрическим зарядом) и, кроме того, имеют наименьшую возможную массу, совместимую с этим зарядом. Как видно из приведённого определения, подобные чёрные дыры тесно связаны с рассмотренными в главе 12 БПС-состояниями. И Строминджер с Вафой выжали из этой связи всё, что могли. Они продемонстрировали, что можно построить (теоретически, разумеется) экстремальные чёрные дыры, если выбрать конкретный набор БПС-бран (определённых размерностей), а затем связать эти браны, действуя по точной математической схеме. Строминджер и Вафа показали, что подобно тому, как можно построить (ещё раз, теоретически!) атом, если взять набор кварков и электронов, а затем точно сгруппировать их в протоны и нейтроны с вращающимися по орбитам электронами, некоторые из недавно обнаруженных компонентов теории струн можно слепить вместе и получить определённые чёрные дыры.
В реальном мире образование чёрных дыр является только одним из возможных вариантов гибели звёзд. После того, как за миллиарды лет ядерного синтеза звезда сжигает весь запас ядерного топлива, она оказывается неспособной далее компенсировать сжимающую громадную силу гравитации направленным наружу давлением. Для широкого класса условий это приводит к катастрофическому взрыву огромной массы звезды: под действием собственной силы тяжести она коллапсирует, образуя чёрную дыру. Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили «конструктивный» подход. Они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать (в воображении теоретика) по строгому набору правил — путём кропотливой, неспешной и дотошной сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй революции в теории суперструн.
Сила этого подхода сразу стала очевидной. Имея в руках все рычаги управления микроскопической конструкцией чёрной дыры, Строминджер и Вафа смогли легко вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными. После этого они сравнили полученное число с площадью горизонта событий чёрной дыры — энтропией, предсказанной Бекенштейном и Хокингом. При этом обнаружилось идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджеру и Вафе удалось найти приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Проблема, стоявшая перед физиками в течение четверти века, была решена.{91}
Для многих теоретиков это открытие было важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Наше понимание теории струн до сих пор остаётся слишком грубым для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварка или электрона. Но сейчас видно, что теория струн даёт первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. И это свойство чёрных дыр тесно связано с предсказанием Хокинга об их излучении, которое, в принципе, может быть проверено экспериментально. Последнее, разумеется, означает, что сначала нужно точно зарегистрировать на небе чёрную дыру, а затем сконструировать оборудование, достаточно чувствительное для регистрации её излучения. Если бы чёрные дыры были не такими чёрными, то сделать это можно было бы уже сегодня. Несмотря на то, что экспериментальная программа ещё не увенчалась успехом, полученный результат говорит о том, что пропасть между теорией струн и реальностью можно преодолеть. Даже Шелдон Глэшоу, убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., недавно признался, что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет».{92}
Нераскрытые тайны чёрных дыр
Даже после этого впечатляющего прогресса остаются две важнейшие проблемы, связанные с чёрными дырами. Первая связана с тем, что понятие чёрной дыры изменяет наши представления о детерминизме. В начале XIX в. французский математик Пьер Симон Лаплас огласил строгие и далеко идущие последствия для нашей Вселенной, вытекающие из законов Ньютона: «Знание, которое в данный момент способно было бы узреть все силы, движущие природой, как и их обстоятельства у истоков сего движения, будь знание это к тому же столь велико, что все данные можно было бы подвергнуть анализу, охватило бы одной формулой и движения величайших тел во Вселенной, и движения легчайших атомов. Для знания такого ничто не было бы неясным, и будущее, равно как и прошлое, открылось бы его взору».{93}
Другими словами, если в некоторый момент известны положения и скорости всех частиц во Вселенной, с помощью законов Ньютона можно определить (по крайней мере, в принципе) их положения и скорости для любого момента времени в прошлом или в будущем. С этой точки зрения все без исключения события, будь то образование Солнца, распятие Христа или все наши телодвижения в этом мире, строго вытекают из точных значений координат и скоростей частиц Вселенной в момент после Большого взрыва. В этой жёсткой, не допускающей отклонений модели эволюции Вселенной встаёт множество запутанных философских проблем, связанных с вопросом о свободе выбора, но их актуальность сильно снизилась после открытия квантовой механики. Как обсуждалось, соотношение неопределённостей Гейзенберга подрывает детерминизм Лапласа, так как в принципе нельзя узнать точные положения и скорости элементов Вселенной. На смену классическому пришло описание в терминах волновых функций, в котором можно рассуждать лишь о вероятностях того, что данная частица находится в том или ином месте, либо имеет ту или иную скорость.
Однако низвержение аргументов Лапласа не было полным крахом концепции детерминизма. Волновые функции, описывающие вероятности в квантовой механике, изменяются во времени по совершенно определённым математическим правилам, таким, как уравнение Шрёдингера (или его более точные релятивистские обобщения, например уравнение Дирака и уравнение Клейна — Гордона). Это говорит о том, что классический детерминизм Лапласа заменяется квантовым детерминизмом. Зная волновые функции всех фундаментальных объектов Вселенной в определённый момент времени, «достаточно обширный разум» может определить волновые функции в любой предшествующий или последующий момент. Квантовый детерминизм утверждает, что вероятность определённого события в выбранный момент времени в будущем полностью определяется знанием волновых функций в любой предшествующий момент. Вероятностная картина квантовой механики существенно смягчает детерминизм Лапласа, замещая неизбежность исходов их возможностью, однако последняя полностью определяется в общепринятом формализме квантовой теории.
В 1976 г. Хокинг объявил, что даже этот смягчённый вариант детерминизма нарушается из-за существования чёрных дыр. Эти вычисления, как и вычисления энтропии, были невероятно сложными, но главная мысль легко уловима. Если какой-нибудь объект попадает в чёрную дыру, туда же отправляется и его волновая функция. Но это означает, что наш «достаточно обширный разум», пытающийся определить волновые функции для будущих моментов, будет фатально сбит с толку чёрной дырой. Чтобы полностью предсказать то, что будет завтра, сегодня нам нужно знать все волновые функции. И если некоторые из них сгинули в омуте чёрной дыры, то содержащаяся в них информация потеряна.
На первый взгляд это осложнение, вызванное существованием чёрных дыр, может показаться несущественным. Всё, что скрылось за горизонтом событий чёрной дыры, отрезано от остального мира — так не проще ли вообще забыть об объектах, которых угораздило туда попасть? Кроме того, рассуждая философски, разве нельзя представить себе, что информация, которую переносили попавшие в дыру объекты, не потеряна для Вселенной, а просто скрыта в области пространства, которую мы, разумные существа, решили избегать любой ценой? До открытия Хокингом того, что чёрные дыры не совсем чёрные, ответ на эти вопросы был бы положительным. Но результат Хокинга об излучении чёрных дыр всё меняет. Излучение переносит энергию, и поэтому при излучении чёрной дыры её масса медленно уменьшается — дыра медленно испаряется. При этом расстояние от центра дыры до горизонта событий постепенно сокращается, и когда завеса отступает, прежде отрезанные от мира области снова оказываются на сцене космического бытия. Вот тут-то мы со своими философскими доводами и наступаем на грабли: восстановится ли информация, которую переносили проглоченные дырой объекты и которая, как мы представляли, хранится внутри чёрной дыры, после того, как чёрная дыра испарится? Без этой информации квантовый детерминизм будет нарушен, так что последний вопрос приобретает глубокий смысл: не могут ли чёрные дыры вносить ещё больший элемент случайности в эволюцию Вселенной?
В момент, когда писалась эта глава, у физиков не было единодушного мнения по данному вопросу. Многие годы Хокинг настойчиво утверждал, что информация не восстанавливается: чёрные дыры разрушают её, «вводя новый уровень неопределённости в физику, усугубляющий общеизвестную неопределённость в квантовой теории».{94} Хокинг и Кип Торн из Калифорнийского технологического института даже поспорили с Джоном Прескиллом из того же института о том, что произойдёт с информацией, захваченной чёрной дырой. Хокинг и Торн ставили на то, что информация будет потеряна, а Прескилл — на то, что информация восстановится при излучении и уменьшении чёрной дыры. Угадайте, на что они спорили? На саму информацию: «Проигравший(е) обязуется приобрести для победителя(ей) энциклопедию на выбор победителя(ей)».
И хотя спор всё ещё не разрешён, недавно Хокинг признал, что в свете обсуждавшегося нового понимания чёрных дыр в теории струн может существовать способ восстановления информации.{95} Идея состоит в том, что для типов чёрных дыр, изученных Строминджером и Вафой (а также многими физиками, вовлечёнными в подобные исследования их статьёй), информацию можно хранить в компонентных бранах, а затем извлекать из них. По выражению Строминджера, этот результат «возбудил у некоторых теоретиков желание заявить о победе, о том, что при испарении чёрных дыр информация восстанавливается. По-моему, этот вывод является преждевременным, и предстоит сделать ещё немало, чтобы определить, правильный он или нет».{96} Так же считает и Вафа, заявляя, что он «в этом вопросе агностик: здесь всё ещё возможен любой исход».{97} Ответ на поставленный вопрос является главной задачей текущих исследований. Приведём слова Хокинга: «Большинство физиков хотят верить, что информация не теряется, так как в этом случае мир будет надёжным и предсказуемым. Но я считаю, что если принимать эйнштейновскую теорию относительности всерьёз, придётся допустить, что пространство-время может само связываться в узлы, приводя к потере информации в их складках. Определение того, может ли информация теряться на самом деле, является одним из важнейших вопросов современной теоретической физики».{98}
Вторая нераскрытая тайна чёрных дыр связана с природой пространства-времени в центре чёрной дыры.[47] Прямо применяя формулы общей теории относительности, которыми пользовался Шварцшильд ещё в 1916 г., можно показать, что огромные масса и энергия, сосредоточенные в чёрной дыре, приводят к возникновению разрушительных разрывов ткани пространства-времени, в результате которых оно должно будет закручиваться в конфигурацию с бесконечной кривизной, образуя прокол пространства-времени. Один из выводов, которые делали физики из существования таких сингулярностей, состоял в том, что вся материя, пересекающая горизонт событий чёрной дыры, будет безвозвратно затянута к центру чёрной дыры, и с этого момента материя перестанет существовать — внутри чёрной дыры исчезнет само время. Другие физики, долгое время исследовавшие чёрные дыры с помощью уравнений Эйнштейна, открыли не укладывающуюся в голове возможность того, что чёрная дыра может быть окном в другую вселенную, связанную с нашей лишь в центре чёрной дыры. Грубо говоря, там, где останавливаются стрелки часов нашей Вселенной, начинается отсчёт времени вселенной, которая прикреплена к нашей.
Некоторые из следствий этой поразительной перспективы будут рассмотрены в следующей главе, здесь же хочется отметить один важный момент. Нужно вспомнить главный вывод: в экстремальных ситуациях, возникающих при чрезвычайно высоких плотностях ввиду огромных масс и малых размеров, классическая теория Эйнштейна становится неприменимой, и для описания таких ситуаций необходимо её квантовое обобщение. Здесь напрашивается вопрос о том, может ли для анализа сингулярностей в центре чёрной дыры оказаться полезной теория струн? Этот вопрос в настоящее время интенсивно исследуется, но из-за возникшей проблемы потери информации он всё ещё не решён. Теория струн ловко расправляется с множеством сингулярностей других типов, возникающих, например, при разрывах пространства, которые обсуждались в главе 11 и в начале этой главы.{99} Но если обнаружен один тип сингулярности, это не значит, что все остальные будут иметь тот же характер. Структура пространства может рваться, прокалываться и раздираться многими разными способами. Теория струн дала нам глубокое понимание одних типов сингулярностей, но другие, среди которых и сингулярности чёрной дыры, до сих пор не поддаются теоретическому описанию. И снова, главная причина этого — невозможность выхода за рамки теории возмущений, которая, в данном случае, затрудняет проведение всестороннего и достоверного анализа того, что происходит внутри чёрной дыры.
Тем не менее, с учётом последних грандиозных достижений в разработке методов, не опирающихся на теорию возмущений, и успешных применений этих методов к другим задачам теории чёрных дыр, у теоретиков появились большие надежды на то, что разгадка тайн происходящих в глубине чёрной дыры явлений уже не за горами.
Глава 14. Размышления о космологии
Стандартная космологическая модель
На протяжении многих веков истории человечества люди стремились постичь тайну происхождения Вселенной. Возможно, это единственный вопрос, для которого не существует ни культурных, ни временных границ, вдохновляющий фантазии наших первобытных предков и побуждающий современных учёных заниматься космологией. В его основе — жажда всех людей понять, почему существует Вселенная, как она приняла свой современный облик, какие принципы движут её эволюцией. Поразительно, что сегодня человечество вступило в ту стадию развития, на которой начинает вырисовываться схема, в рамках которой на некоторые вопросы можно будет дать научный ответ.
Согласно общепринятой сегодня теории, в первые моменты эволюции Вселенная находилась в экстремальных условиях огромных энергий, температур и плотностей. Сейчас ясно, что для описания таких условий требуется и общая теория относительности, и квантовая теория, поэтому проблема возникновения Вселенной является хорошим полигоном для применения идей теории суперструн. Вскоре мы рассмотрим эти новые применения, но сначала обсудим космологическую теорию, существовавшую до открытия теории струн, так называемую стандартную космологическую модель.
Современная теория сотворения мира возникла примерно через пятнадцать лет после создания Эйнштейном общей теории относительности. Хотя сам Эйнштейн отказался посмотреть правде в глаза и признать, что из его теории следует невозможность существования вечной и статической Вселенной, за него это сделал Александр Фридман. Как обсуждалось в главе 3, Фридман нашёл так называемое решение Большого взрыва для уравнений Эйнштейна, т. е. решение, в котором Вселенная развивается из начального состояния бесконечного сжатия и в настоящий момент находится в стадии расширения после этого исходного взрыва. Эйнштейн был так уверен в невозможности подобных меняющихся во времени решений его уравнений, что даже опубликовал короткую статью о якобы найденной им грубой ошибке в работе Фридмана. Однако примерно через восемь месяцев Фридману всё же удалось убедить Эйнштейна в том, что в действительности никакой ошибки не было; Эйнштейн публично, но кратко, снял свои возражения. Очевидно, однако, что Эйнштейн не считал результаты Фридмана имеющими какое-либо отношение к нашей Вселенной. Однако пять лет спустя кропотливые наблюдения Хаббла за несколькими десятками галактик, проводившиеся с помощью стодюймового телескопа в обсерватории Маунт Вильсон, показали, что Вселенная действительно расширяется. Работа Фридмана, переписанная в более систематическом и удобном виде Говардом Робертсоном и Артуром Уокером, до сих пор является основой современной космологии.
Подробнее современная теория космической эволюции выглядит так. Около 15 миллиардов лет назад Вселенная изверглась в результате мощного сингулярного взрыва, разметавшего в стороны всё пространство и материю. (Можно не искать точку, в которой произошёл Большой взрыв: она там, где вы находитесь сейчас, и где находятся все остальные — изначально все различаемые нами отдельные точки пространства находились в одном месте.) Вычисления температуры, которая была у Вселенной лишь спустя 1043 с после Большого взрыва (так называемое планковское время), приводят к значению порядка 1032 K, что примерно в 1025 раз выше температуры в недрах Солнца. С течением времени Вселенная расширялась и охлаждалась, и в ходе этого процесса в первоначально однородной и горячей первичной космической плазме стали возникать вихри и скопления. Через 105 с после Большого взрыва Вселенная достаточно охладилась (примерно до 1013 K, что в миллион раз больше температуры внутри Солнца) для того, чтобы из групп трёх кварков стало возможно образование протонов и нейтронов. Примерно через сотую долю секунды условия стали такими, что в охлаждающейся плазме элементарных частиц уже могли формироваться ядра некоторых лёгких элементов периодической таблицы. В течение следующих трёх минут, пока кипящая Вселенная охлаждалась примерно до 109 K, основная доля образовавшихся ядер приходилась на ядра водорода и гелия и включала небольшую добавку дейтерия («тяжёлого» водорода) и лития. Этот интервал времени получил название периода первичного нуклеосинтеза.
Затем в течение нескольких сотен тысяч лет было мало событий, кроме дальнейшего расширения и охлаждения. Но в конце этого этапа, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, летавшие до этого с бешеной скоростью электроны замедлились до скорости, позволяющей атомным ядрам (в основном, ядрам водорода и гелия) захватывать их, образуя электрически нейтральные атомы. Это явилось поворотным моментом: начиная с него Вселенная, в общем и целом, становится прозрачной. До эры захвата электронов она была заполнена плотной плазмой электрически заряженных частиц, одни из которых (например, ядра) несли положительный заряд, а другие (например, электроны) — отрицательный. Фотоны, взаимодействующие лишь с заряженными частицами, испытывали постоянные пинки и толчки со стороны кишащих заряженных частиц и не могли пролететь достаточно далеко, не будучи отклонёнными или поглощёнными этими частицами. Из-за таких препятствий свободному движению фотонов, Вселенная предстала бы перед наблюдателем совершенно непрозрачной, подобной густому утреннему туману или снежной буре. Но когда отрицательно заряженные электроны были рассажены по орбитам вокруг положительно заряженных ядер и образовались электрически нейтральные атомы, препятствия исчезли и густой туман рассеялся. С этого момента фотоны от Большого взрыва стали свободно путешествовать по Вселенной, и постепенно она полностью стала доступной взору.
Примерно миллиард лет спустя, когда Вселенная достаточно успокоилась после неистового начала, из сжатых гравитацией комков первичных элементов стали формироваться галактики, звёзды, а затем и планеты. Сегодня, через 15 миллиардов лет после Большого взрыва, мы можем восхищаться как величием космоса, так и нашей способностью построить разумную и экспериментально проверяемую теорию происхождения космоса.
Но до какой степени можно действительно доверять теории Большого взрыва?
Проверка модели Большого взрыва
Изучая Вселенную с помощью мощнейших телескопов, астрономы могут видеть свет, испущенный галактиками и квазарами через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Это позволяет им проверить предсказания теории Большого взрыва о расширении Вселенной вплоть до столь ранних этапов её эволюции, и результаты всех проверок оказываются положительными. Чтобы проверить теорию для ещё более ранних этапов, физики и астрономы вынуждены пользоваться менее прямыми методами. Один из наиболее тонких подходов опирается на понятие реликтового космического излучения.
Если читателю приходилось когда-нибудь ощупывать только что накачанную до предела велосипедную шину, он знает, что шина кажется тёплой. Часть энергии, израсходованная на накачку колеса насосом, ерешла в теплоту, и температура шины увеличилась. Это есть следствие общего принципа: для широкого класса условий при сжатии тел происходит их нагревание. И наоборот, если не препятствовать расширению, произойдёт охлаждение. На этих принципах устроены кондиционеры и холодильники, в которых вещества типа фреона периодически подвергаются сжатию и расширению (сопровождающимся парообразованием и конденсацией), направляя поток теплоты в нужную сторону. Хотя речь идёт о простых явлениях земной физики, оказывается, что они обладают глубоким смыслом в космосе как целом.
Выше говорилось о том, что после объединения электронов и ядер в атомы фотоны могут беспрепятственно путешествовать во Вселенной. Это означает, что Вселенная заполнена «газом» фотонов, движущихся во всевозможных направлениях и равномерно распределённых в космическом пространстве. Когда Вселенная расширяется, газ свободно летящих фотонов расширяется вместе с ней, так как Вселенная, по существу, является резервуаром для этого газа. Подобно тому, как температуры более привычных для нас газов (например, воздуха в колесе) понижаются при расширении, температура этого фотонного газа тоже падает при расширении Вселенной. Уже давно, после работ Георгия Гамова и его студентов Ральфа Альфера и Роберта Хермана в 1950-х гг., а также Роберта Дикке и Джима Пиблза в середине 1960-х гг., физики поняли, что современная Вселенная должна быть наполнена почти однородным составом из первичных фотонов, охладившимся до нескольких градусов выше абсолютного нуля за 15 миллиардов лет космического расширения.[48] В 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лаборатории им. Белла в штате Нью-Джерси случайно сделали одно из важнейших открытий нашей эпохи. Работая с антенной, предназначенной для спутниковой связи, они зарегистрировали послесвечение Большого взрыва! Позднее и теория, и эксперимент были усовершенствованы, и эти исследования завершились измерениями, полученными с помощью спутника COBE (Cosmic Background Explorer, «зонда космического фона») агентства NASA в 1990-е гг. На основе полученных данных физики и астрономы точно установили, что Вселенная действительно заполнена микроволновым излучением с температурой примерно на 2,7 K выше абсолютного нуля (если бы наши глаза были чувствительны к микроволнам, мы увидели бы рассеянное свечение вокруг нас), что в точности совпадает с предсказаниями теории Большого взрыва. Более точно, в каждом кубическом метре Вселенной (включая тот объём, который вы сейчас занимаете) находится около 400 миллионов фотонов, образующих огромное космическое море микроволнового излучения — эхо сотворения. Часть «снега» на экране телевизора, когда вы переключаетесь на канал, на котором закончилось вещание, объясняется именно этим туманным откликом Большого взрыва. Согласие между теорией и экспериментом служит подтверждением космологической картины Большого взрыва до момента времени, когда фотоны начали свободное движение по Вселенной, т. е. примерно до нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва.
Можно ли в наших исследованиях теории Большого взрыва продвинуться ещё дальше вглубь времён? Можно. Используя законы обычной ядерной физики и термодинамики, можно сделать определённые предсказания об относительном проценте лёгких элементов, образованных во время первичного нуклеосинтеза, т. е. в период примерно от сотых долей секунды до нескольких минут после Большого взрыва. Например, теория говорит о том, что Вселенная примерно на 23 % должна состоять из гелия. Измерения содержания гелия в звёздах и туманностях действительно подтверждают это предсказание. Возможно, ещё более впечатляющим является подтверждение предсказания о содержании дейтерия, так как его малое, но ощутимое присутствие в космосе не может объясняться никакими другими астрофизическими явлениями, кроме Большого взрыва. Подтверждение этих предсказаний, а также более позднее подтверждение предсказания содержания лития говорят об успешной проверке гипотез о физике ранней Вселенной вплоть до момента первичного синтеза.
Всё это настолько впечатляет, что хочется возгордиться успехами. Все данные, которыми мы располагаем, подтверждают космологическую теорию, описывающую эволюцию Вселенной от сотых долей секунды после Большого взрыва до настоящего времени, отделённого от начала интервалом времени в 15 миллиардов лет. Однако не следует забывать о том, что новорождённая Вселенная развивалась с феноменальной скоростью. Мельчайшие доли секунды, гораздо меньшие сотых долей, суть космические эпохи, в течение которых формировались кажущиеся нам неизменными свойства окружающего мира. Поэтому физики продолжали движение вперёд, пытаясь объяснить, что происходило во Вселенной в ещё более ранние моменты. Так как при движении вспять во времени Вселенная становится всё горячее, меньше и плотнее, всё очевиднее потребность в квантовом описании материи и взаимодействий. Как мы видели с других точек зрения в предыдущих главах, квантовая теория поля точечных частиц справедлива лишь тогда, когда средние энергии частиц не превышают планковскую энергию. С точки зрения космологии этот предел соответствует моменту, когда вся окружающая нас Вселенная была сжата до размера мельчайшего зерна планковских размеров, а плотность была так высока, что сложно подыскать подходящую метафору, которая проиллюстрировала бы эту ситуацию: плотность Вселенной в эти моменты времени была просто колоссальной. При таких энергиях и плотностях гравитация и квантовая теория уже не могут рассматриваться как две различных сущности, каковыми они являлись в квантовой теории поля точечных частиц. Вместо этого — и в этом состоит смысл содержания данной книги — анализ должен базироваться на теории струн. На временной шкале такие энергии и плотности соответствуют точкам, удалённым от Большого взрыва менее чем на планковское время 1043 с, следовательно, эта сверхранняя эпоха является космологической ареной теории струн.
Мы начнём экскурсию в эту эпоху с обсуждения предсказаний стандартной космологической модели о Вселенной в моменты времени, меньшие сотых долей секунды, но большие планковского времени.
От планковских времён до сотых долей секунды после Большого взрыва
Вспомним из главы 7 (обратите особое внимание на рис. 7.1), что в раскалённой среде ранней Вселенной три негравитационных взаимодействия оказываются связанными воедино. Расчёты зависимости силы этих взаимодействий от энергии и температуры показывают, что до моментов примерно через 1035 с после Большого взрыва сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия были одним «великим объединённым» взаимодействием. В этом состоянии Вселенная была гораздо более симметричной, чем сейчас. Подобно тому, как при плавке нескольких предметов из различных металлов получается однородная расплавленная смесь, при огромных температурах и энергиях ранней Вселенной все наблюдаемые различия между этими взаимодействиями пропадали. Но по мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, такая симметрия, как следует из формализма квантовой теории поля, разрушалась довольно резкими скачками и, в конце концов, привела к знакомой нам сравнительно асимметричной форме.
Нетрудно понять физический смысл этого понижения или нарушения симметрии, как его называют физики. Когда в резервуаре равномерно распределены молекулы H2O, вода выглядит одинаково вне зависимости от того, под каким углом на неё смотреть. Рассмотрим, однако, что происходит при уменьшении температуры. Сначала всё выглядит как обычно. На микроскопических масштабах уменьшается средняя скорость молекул воды — только и всего. Однако при понижении температуры до 0° C внезапно происходят радикальные перемены. Жидкая вода замерзает и превращается в лёд. Как обсуждалось в предыдущей главе, это простой пример фазового перехода. Но сейчас для нас важно то, что при уменьшении температуры происходит уменьшение симметрии, которую проявляют молекулы H2O. В то время как жидкая вода выглядит одинаково под любым углом наблюдения, демонстрруя симметрию относительно вращений, твёрдый лёд выглядит совершенно иначе. Он обладает кристаллической структурой, т. е. если исследовать лёд с должной точностью, он, как и любой кристалл, будет выглядеть по-разному при наблюдении под разными углами. Фазовый переход приводит к явному уменьшению вращательной симметрии.
И хотя мы рассмотрели лишь один знакомый пример, это утверждение справедливо в более общем случае: при понижении температуры во многих физических системах происходит фазовый переход, который обычно сопровождается уменьшением или «нарушением» некоторых исходных симметрий системы. В действительности система может испытывать последовательность фазовых переходов при изменении температуры в достаточно широких пределах. Простейшим примером снова служит вода. При температурах выше 100° C она представляет собой газ (пар). В этом состоянии у системы даже больше симметрий, чем в жидком, так как в этом случае молекулы H2O не связаны вместе в одну плотную жидкую упаковку, а предоставлены сами себе. Все они равноправны и носятся по всему резервуару, не образуя скоплений или групп, по которым молекулы можно было бы различать исходя из близости к соседям. При высоких температурах господствует полная демократия и симметрия. При понижении температуры за 100-градусную отметку, естественно, начинают формироваться капли, и симметрия уменьшается. Дальнейшее понижение температуры не приводит к серьёзным последствиям, пока не перейдена нулевая отметка, и в этот момент происходит фазовый переход из жидкости в лёд, который также сопровождается резким уменьшением симметрии.
По мнению физиков, в моменты между планковским временем и сотыми долями секунды после Большого взрыва Вселенная вела себя аналогичным образом, испытав, по крайней мере, два подобных фазовых перехода. При температурах выше 1028 K все три негравитационные взаимодействия кажутся единым взаимодействием. Ситуация максимально симметрична. (В конце главы обсуждается как с помощью теории струн можно включить в этот высокотемпературный союз гравитационное взаимодействие.) Однако при понижении температуры ниже черты 1028 K во Вселенной происходит фазовый переход, при котором три силы природы выкристаллизовываются по-разному в разные типы взаимодействий. Их относительные величины и детали того, как они воздействуют на материю, начинают различаться. Очевидная при высоких температурах симметрия этих взаимодействий разрушается при охлаждении Вселенной. Однако, как показали Вайнберг, Салам и Глэшоу (см. главу 5), пропадает не вся высокотемпературная симметрия: между слабыми и электромагнитными взаимодействиями сохраняется глубокая связь. По мере дальнейшего понижения температуры ничего необычного не происходит до отметки 1015 K (в 100 миллионов раз больше температуры Солнца), когда во Вселенной происходит ещё один переход, разъединяющий электромагнитные и слабые взаимодействия. Они тоже обособляются, разрушая более симметричный союз, и различие между ними растёт с понижением температуры Вселенной. Этими двумя фазовыми переходами определяется наличие трёх разных типов негравитационного взаимодействия, хотя приведённый обзор истории Вселенной говорит об их близком родстве.
Космологическая загадка
Рассмотренная космология пост-планковской эры даёт элегантный, самосогласованный и пригодный для вычислений формализм, позволяющий понять структуру, которую имела Вселенная через малые доли секунды после Большого взрыва и вплоть до нашего времени. Но, как это обычно бывает с удачными теориями, новые результаты приводят ко всё более обстоятельным вопросам. Оказывается, что некоторые из этих вопросов, не умаляя важности представленного стандартного космологического сценария, всё же высвечивают ряд нелепостей, вызывающих необходимость создания более глубокой теории. Остановимся на одной из них, так называемой проблеме горизонта, являющейся одним из важнейших вопросов современной космологии.
Скрупулёзные исследования реликтового излучения показывают, что с точностью до тысячной доли процента температура излучения одинакова для всех точек неба, на которые направлена измерительная антенна. Если немного задуматься над этим фактом, он может показаться странным. С какой стати температуры различных точек Вселенной, разделённых огромными расстояниями, должны совпадать так точно? Напрашивается естественное на первый взгляд разрешение парадокса: не важно, что эти точки находятся сегодня в диаметрально противоположных областях неба, подобно разлучённым близнецам, они (как и все остальные точки) находились очень близко друг к другу в первые моменты после Большого взрыва. И так как все области образовались из общей начальной точки, совсем не удивительно, что у них одни и те же физические характеристики, в частности их температура.
В стандартной космологии Большого взрыва это объяснение не годится. И вот почему. Тарелка горячего супа постепенно охлаждается до комнатной температуры, так как она соприкасается с более холодным воздухом. Но если суп находится в термосе, он, разумеется, останется горячим гораздо дольше, так как его контакт с окружающей средой намного слабее. Это говорит о том, что выравнивание температур двух тел происходит при длительном и беспрепятственном контакте. Поэтому для проверки того, что ныне далеко удалённые области должны иметь одинаковые температуры из-за их исходного контакта, нужно оценить интенсивность обмена между ними на ранней стадии эволюции Вселенной. Здесь тоже можно сначала предположить, что из-за непосредственной близости в начальные моменты контакт между областями был даже ещё сильнее. Однако пространственная близость — это только полдела. Вторая половина — это длительность контакта.
Чтобы лучше разобраться в этой ситуации, представим себе, что мы смотрим фильм, в котором запечатлено космическое расширение, но плёнку крутят в обратную сторону, и мы возвращаемся в прошлое к моменту Большого взрыва. Так как скорость передачи любого сигнала или любых характеристик ограничена скоростью света, обмен тепловой энергией между материей в двух областях пространства, приводящий к выравниванию температур, может происходить лишь тогда, когда расстояние между областями в данный момент меньше, чем расстояние, которое мог бы пройти свет с момента Большого взрыва. И теперь, прокручивая назад плёнку, мы видим, что существует соревнование между расстоянием, которым разделены две области, и временем, на которое нужно повернуть назад часы, чтобы эти области оказались объединёнными вместе. Например, если для разделения областей на 300 000 км мы должны отмотать плёнку до момента времени, меньшего одной секунды после Большого взрыва, то, несмотря на близость областей в тот момент, у них не будет возможности для контакта, ибо свету нужна целая секунда, чтобы пройти это расстояние.[49] Если расстояние гораздо меньше, например 300 км, но для этого плёнку нужно промотать до момента времени, меньшего тысячной доли секунды после Большого взрыва, вывод тот же: эти области не могут влиять друг на друга, так как свет не сможет преодолеть эти 300 км менее чем за тысячную доли секунды. И так далее: если расстояние равно 30 см, но требуется промотать плёнку до момента, меньшего миллиардной доли секунды, влияние снова невозможно. Пример демонстрирует, что из непосредственной близости двух точек в первые моменты после Большого взрыва не обязательно следует то, что между ними, как между супом и воздухом, возможен тепловой контакт, необходимый для выравнивания температур.
Физики обнаружили, что та же проблема возникает и в модели Большого взрыва. Детальные расчёты показывают, что для областей пространства, разделённых сейчас огромными расстояниями, не было возможности обмена тепловой энергией в ранние моменты времени, которым объяснялось бы равенство их температур сейчас. А так как слово горизонт относится к кругу видимых нами объектов, образно говоря, к точкам, куда может дойти свет, физики назвали неожиданную однородность температур в космических просторах «парадоксом горизонта». Он не означает, что стандартная космологическая модель неверна. Но однородность температур говорит о том, что в описании космологии не достаёт какой-то важной детали. В 1979 г. физик Алан Гут, работающий сейчас в Массачусетсом технологическом институте, дописал недостающую главу.
Инфляция
Причина возникновения парадокса горизонта заключается в том, что для сближения двух удалённых областей Вселенной приходится прокручивать плёнку фильма о космической эволюции назад во времени. Так далеко назад, что для передачи какого-либо физического воздействия времени остаётся слишком мало. И проблема возникает из-за того, что при обратной прокрутке к моменту Большого взрыва Вселенная сжимается недостаточно быстро.
Конечно, это лишь грубая идея, так что имеет смысл рассмотреть вопрос чуть подробнее. Эффект, вызывающий парадокс горизонта, подобен замедлению брошенного вверх мяча: под действием гравитационного притяжения скорость расширения Вселенной уменьшается. Из этого, в частности, следует, что для сокращения расстояния между двумя точками вдвое необходимо прокрутить плёнку не к середине отрезка от начала фильма, а ещё ближе к началу. В свою очередь, чтобы уменьшить вполовину пространственное разделение, придётся более чем вполовину разделить время с момента Большого взрыва. Чем меньше времени прошло с момента Большого взрыва, тем меньше возможности для передачи воздействия между двумя областями, несмотря на то, что эти области будут ближе друг к другу.
Теперь несложно дать объяснение парадокса горизонта, предложенное Гутом. Он нашёл другое решение уравнений Эйнштейна, в котором ранняя Вселенная проходит очень короткий этап чрезвычайно быстрого расширения, внезапно раздуваясь по экспоненциальному закону. В отличие от примера с мячом, замедляющимся при движении вверх, при экспоненциальном законе скорость расширения увеличивается. Если теперь прокручивать назад нашу плёнку, то ускоренное расширение станет замедленным сжатием. Поэтому для сокращения расстояния вдвое (в период экспоненциальной эры) понадобится прокрутить плёнку меньше, чем до середины отрезка с начала фильма, на самом деле гораздо меньше. Меньшая обратная прокрутка означает, что у двух областей будет больше времени на тепловой контакт и у них, как у супа и воздуха, будет достаточно времени, чтобы выровнять температуры.
После открытия Гута и последовавших важных усовершенствований Андрея Линде, работающего ныне в Стенфордском университете[50], Пола Стейнхарда и Андреаса Альбрехта, работавших в то время в университете штата Пенсильвания, а также многих других физиков, стандартная космологическая модель была переформулирована в инфляционную космологическую модель. Этот подход внёс поправки в стандартную модель, изменяющие её поведение на крайне малом временном отрезке примерно от 1036 до 1034 с после Большого взрыва. В рамках новой модели Вселенная подверглась колоссальному расширению минимум в 1030 раз, а не в сотню раз, как в стандартной схеме. За этот мизерный отрезок времени после Большого взрыва размер Вселенной увеличился больше, чем за все последующие 15 миллиардов лет. До начала такого расширения материя, разделённая сейчас огромными пространствами, была гораздо ближе, чем это предсказывает стандартная космологическая модель, так что температура легко могла сравняться. Затем, в ходе молниеносной космологической инфляции по Гуту и в ходе последовавшего обычного расширения согласно стандартной модели области пространства, где находилась эта материя, могли разойтись на громадные наблюдаемые нами сейчас расстояния. Таким образом, модификация стандартной космологической модели на очень коротком отрезке времени, приводящая, однако, к очень серьёзным последствиям, позволяет разрешить парадокс горизонта (а также ряд других важных проблем, которые здесь не описаны). Новая теория получила широкое признание теоретиков, занимающихся космологией.{100}
Итак, согласно современной теории, эволюция Вселенной на временном интервале от момента сразу за планковским временем до настоящего времени выглядит так, как показано на рис. 14.1.
Рис. 14.1. Временная шкала эволюции и ключевые моменты в истории Вселенной
Космология и теория суперструн
Нам осталось выяснить, что происходит на коротком отрезке времени от момента Большого взрыва до планковского времени на рис. 14.1. Если непосредственно применять уравнения общей теории относительности к этой области, они будут свидетельствовать о том, что по мере приближения к моменту Большого взрыва Вселенная продолжает сжиматься, а её температура и плотность продолжают увеличиваться. В нулевой момент времени размер Вселенной становится равным нулю, а температура и плотность обращаются в бесконечность, и это явный признак того, что данная теоретическая модель Вселенной, прочно базирующаяся на классическом описании гравитации в общей теории относительности, теряет всякий смысл.
Природа настойчиво указывает, что при таких условиях мы должны объединить общую теорию относительности с квантовой теорией, другими словами, использовать теорию струн. В настоящее время космологические исследования в рамках теории струн находятся на раннем этапе развития. Методы теории возмущений могут, в лучшем случае, дать самое смутное представление о происходящем, так как анализ экстремальных энергий, температур и плотностей требует большей точности. И хотя в ходе второй революции в теории суперструн были предложены методы, позволяющие обойти теорию возмущений, пройдёт некоторое время до того, как эти методы будут достаточно развиты, и их можно будет применять к расчётам космологических эффектов. Однако, как мы сейчас обсудим, в последнее десятилетие физики уже сделали первые шаги к пониманию струнной космологии. Вот что они обнаружили.
Оказывается, есть три важнейших пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод оказывает огромное влияние на наше понимание структуры Вселенной в сам момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, как мы вскоре увидим, крайне важно и в космологии. И, наконец, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений. Обсудим эти три пункта более подробно.
В конце 1980-х гг. Роберт Бранденбергер и Кумрун Вафа сделали первые важные шаги к пониманию того, к каким изменениям в следствиях из стандартной космологической модели приведёт использование теории струн. Они пришли к двум важным выводам. Во-первых, по мере движения назад к моменту Большого взрыва температура продолжает расти до момента, когда размеры Вселенной по всем направлениям сравняются с планковской длиной. Но в этот момент температура достигнет максимума и начнёт уменьшаться. На интуитивном уровне нетрудно понять причину этого явления. Предположим для простоты (следуя Бранденбергеру и Вафе), что все пространственные измерения Вселенной циклические. При движении назад во времени радиус каждой окружности сокращается, а температура Вселенной увеличивается. Но из теории струн мы знаем, что сокращение радиусов сначала до и затем ниже значений планковской длины физически эквивалентно уменьшению радиусов до планковской длины, сменяющемуся затем их последующим увеличением. А так как температура при расширении Вселенной падает, то безрезультатные попытки сжать Вселенную до размеров, меньших планковской длины, приведут к прекращению рота температуры и её дальнейшему снижению. Подробные вычисления Бранденбергера и Вафы подтверждают, что так оно и происходит на самом деле.
В результате Бранденбергер и Вафа пришли к следующей космологической картине: сначала все пространственные измерения в теории струн плотно свёрнуты до минимальных размеров, грубо говоря, до планковской длины. Температура и энергия высоки, но не бесконечны: парадоксы начальной точки нулевого размера в теории струн решены. В начальный момент существования Вселенной все пространственные измерения теории струн совершенно равноправны и полностью симметричны: все они свёрнуты в многомерный комок планковских размеров. Далее, согласно Бранденбергеру и Вафе, Вселенная проходит первую стадию понижения симметрии, когда в планковский момент времени три пространственных измерения отбираются для последующего расширения, а остальные сохраняют исходный планковский размер. Затем эти три измерения отождествляются с измерениями в сценарии инфляционной космологии и в процессе эволюции, изображённой на рис. 14.1, принимают наблюдаемую ныне форму.
Здесь сразу же возникает вопрос: в чём причина того, что при понижении симметрии для расширения отбираются ровно три пространственных измерения? Иными словами, кроме имеющегося экспериментального факта, что лишь три пространственных измерения расширились до наблюдаемого огромного размера, есть ли в теории струн фундаментальный принцип, объясняющий почему не расширилось никакое другое число измерений (четыре, пять, шесть и т. д.) или даже, что более симметрично, всё пространство? Бранденбергер и Вафа предложили возможное объяснение. Вспомним, что дуальность больших и малых радиусов в теории струн основана на том, что если измерение является циклическим, на него может наматываться струна. Бранденбергер и Вафа осознали, что такие намотанные струны могут сдерживать расширение измерений, на которые они намотаны, подобно резиновым лентам, обёрнутым вокруг велосипедной камеры. С первого взгляда может показаться, что в результате все измерения будут скованы, так как струны могут наматываться, и наматываются, на любое из них. Но тут есть лазейка: если намотанная струна вдруг встретит своего анти-струнного партнёра (грубо говоря, струну, намотанную в другом направлении), обе струны моментально аннигилируют и образуют ненамотанную струну. Если этот процесс будет достаточно активным, то будет уничтожено достаточно много «резиновой ленты», и измерения смогут расширяться. Бранденбергер и Вафа предположили, что снижение сдерживающего действия намотанных струн может иметь место лишь в случае трёх пространственных измерений. И вот почему.
Представим себе две частицы, которые катятся по одномерной линии, подобной пространственному измерению Линляндии. За исключением случая, когда их скорости равны, рано или поздно одна из частиц догонит другую, и они столкнутся. Заметим, однако, что если те же точечные частицы будут двигаться по двумерной поверхности, весьма вероятно, что столкновение никогда не произойдёт. Второе пространственное измерение открывает окно в новый мир траекторий каждой частицы, и большинство траекторий двух миров не пересекаются в одной и той же точке в один момент времени. В трёх, четырёх или большем числе измерений становится всё менее вероятно, что частицы когда-либо столкнутся. Бранденбергер и Вафа поняли, что аналогичное утверждение справедливо, если заменить точечные частицы струнными петлями, намотанными вокруг пространственных измерений. И хотя их вывод гораздо сложнее представить себе наглядно, но в трёх (или менее) циклических пространственных измерениях две намотанные струны, скорее всего, столкнутся, как две точечные частицы в одном измерении. Но в четырёх и в большем числе измерений вероятность столкновения двух намотанных струн уменьшается, как и в случае частиц в двух и большем числе измерений.{101}
Вырисовывается следующая картина. В первый момент существования Вселенной в неразберихе высоких, но конечных температур все циклические измерения пытаются расшириться. Намотанные струны их сдерживают в границах исходных планковских размеров. Однако рано или поздно случайная температурная флуктуация приведёт к тому, что три из этих измерений станут больше других и, согласно нашему обсуждению, вероятность столкновения намотанных вокруг этих измерений струн резко увеличится. Примерно в половине этих столкновений будут участвовать пары струна/антиструна, и такие пары аннигилируют, значительно ослабляя сдерживающую силу и позволяя этим трём измерениям расширяться всё больше. А чем больше они расширяются, тем менее вероятно, что их обмотают другие струны, так как для этого от струн будет требоваться всё больше энергии. Таким образом, расширение подстёгивается само собой, и при увеличении размеров становится всё меньше препятствий к дальнейшему расширению. Теперь мы можем представить, что эти три пространственных измерения будут эволюционировать по описанному выше сценарию и достигнут размеров наблюдаемой Вселенной.
Космология и вид пространств Калаби — Яу
Для простоты Бранденбергер и Вафа считали все пространственные измерения циклическими. Это допущение оправдано. Как отмечалось в главе 8, если циклические измерения достаточно велики и замыкаются на себя за границами современных возможностей наблюдения, циклической вид совместим с видом наблюдаемой нами Вселенной. Но для измерений, размер которых остаётся малым, более реалистичный исход заключается в их свёртывании в более сложное пространство Калаби — Яу. Ключевой вопрос, безусловно, в том, в какое именно пространство. Каким образом осуществляется выбор конкретного пространства? Никому не удалось пока что на это ответить. Однако, объединяя результаты об изменении топологии, описанные в предыдущей главе, с подобными космологическими прозрениями, можно предложить схему ответа на данный вопрос. Мы знаем, что многообразия Калаби — Яу можно связать друг с другом посредством конифолдных переходов с разрывом пространства. Можно представить себе, что в моменты хаоса и огромных температур после Большого взрыва свёрнутые компоненты пространства Калаби — Яу остаются малыми, но участвуют в безумном карнавале стремительных превращений, принимая облик различных пространств Калаби — Яу в процессе беспрестанных разрывов и восстановлений ткани пространства. По мере того как Вселенная охлаждается, а три измерения становятся всё больше, переходы от одного пространства Калаби — Яу к другому происходят реже и дополнительные измерения в конце концов упаковываются в определённое многообразие Калаби — Яу, предположительно ответственное за физические свойства наблюдаемого нами мира. Дело чести для физиков — подробно описать эволюцию компоненты Калаби — Яу нашего пространства, чтобы современный её вид можно было вывести из теоретических принципов. Мы видим, что с учётом новых результатов о возможности непрерывного преобразования пространств Калаби — Яу друг в друга выбор одного многообразия Калаби — Яу из множества других может, на самом деле, быть сведён к задаче из космологии.{102}
До начала?
Так как точные уравнения теории струн неизвестны, Бранденбергеру и Вафе пришлось делать немало допущений и приближений в своих космологических исследованиях. Недавно Вафа сказал: «В нашей работе показано, что теория струн позволяет по-новому подойти к давним проблемам стандартного подхода в космологии. Мы видим, например, что в теории струн можно искоренить само понятие исходной сингулярности. Однако на современном уровне понимания теории струн выполнить абсолютно надёжный расчёт для таких экстремальных условий очень сложно, и наша работа даёт лишь первое представление о струнной космологии, очень далёкое от окончательного понимания».{103}
После этой работы физики непрерывно продвигаются вперёд к пониманию струнной космологии. В числе тех, кто идёт во главе этих исследований — Габриэле Венециано и его коллега Маурицио Гасперини из Туринского университета. Эти учёные представили свой, очень красивый, вариант струнной космологии, который в ряде мест соприкасается с описанным выше сценарием, но в других местах принципиально отличается от него. Как Бранденбергер и Вафа, для исключения бесконечной температуры и плотности энергии, которые возникают в стандартной и инфляционной модели, они опирались на существование минимальной длины в теории струн. Однако вместо вывода о том, что в силу этого свойства Вселенная рождается из комка планковских размеров, Гасперини и Венециано предположили, что существовала доисторическая Вселенная, родившаяся задолго до момента, который мы называем нулевой точкой, и зачавшая этот космический эмбрион планковских размеров.
Исходное состояние Вселенной в таком сценарии и в модели Большого взрыва очень сильно различаются. Согласно Гасперини и Венециано, Вселенная не являлась раскалённым и плотно скрученным клубком измерений, а была холодной и имела бесконечную протяжённость. Затем, как следует из уравнений теории струн, во Вселенную вторглась нестабильность, и все её точки стали, как и в эпоху инфляции по Гуту, стремительно разбегаться в стороны. Гасперини и Венециано показали, что из-за этого пространство становилось всё более искривлённым и в результате произошёл резкий скачок температуры и плотности энергии.{104} Прошло немного времени, и трёхмерная область миллиметровых размеров внутри этих бескрайних просторов преобразилась в раскалённое и плотное пятно, тождественное пятну, которое образуется при инфляционном расширении по Гуту. Затем всё пошло по стандартному сценарию космологии Большого взрыва, и расширяющееся пятно превратилось в наблюдаемую Вселенную. И так как в эпоху до Большого взрыва происходило своё инфляционное расширение, решение парадокса горизонта, предложенное Гутом, оказывается автоматически встроенным в этот космологический сценарий. По выражению Венециано, «теория струн преподносит нам, как на блюдечке, вариант инфляционной космологии».{105}
Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований. Например, сценарий эволюции до Большого взрыва уже не раз был поводом горячих, но плодотворных споров, а его место в будущей космологической формулировке, к которой мы, в конце концов, придём в рамках теории струн, далеко не очевидно. Однако нет сомнений, что эта космологическая формулировка будет твёрдо опираться на понимание физиками результатов, открытых во время второй революции суперструн. Например, сейчас ещё не ясны космологические следствия существования многомерных мембран, или то, как изменятся рассмотренные законы космологии, если окажется, что значения констант связи в теории струн соответствуют центральным областям рис. 12.11, а не одному из полуостровов на этой карте. Иными словами, как изменит наше понимание первых моментов существования Вселенной анализ законченной M-теории? Эти важнейшие вопросы сейчас интенсивно исследуются. И уже появился один важный результат.
M-теория и слияние всех сил природы
На рис. 7.1 показано, что все три негравитационные взаимодействия сливаются воедино, если температура Вселенной достаточно велика. Как можно вписать в эту картину гравитационное взаимодействие? До открытия M-теории теоретикам удалось показать, что для простейших выборов компоненты Калаби — Яу гравитационное взаимодействие почти, но не полностью, сливается с тремя другими (рис. 14.2).
Рис. 14.2. В M-теории все четыре типа взаимодействий объединяются естественным образом
Теоретики обнаружили, что несогласование можно устранить, слегка «подогнав» выбранное многообразие Калаби — Яу и выполнив серию математических трюков, но подобные тонкие настройки задним числом всегда вызывают у физиков ощущение дискомфорта. Так как сейчас никто не способен точно предсказать вид измерений Калаби — Яу, полагаться на решения проблем, столь чувствительные к детальному описанию этих измерений, довольно рискованно.
Однако Виттен показал, что результаты второй революции в теории суперструн приводят к более надёжному решению. Исследуя то, как меняются силы взаимодействий в областях, где константа связи струны может быть большой, Виттен обнаружил, что кривую гравитационного взаимодействия можно слегка изменить без какой-либо особой подгонки пространства Калаби — Яу, и она соединится с кривыми других взаимодействий, как показано на рис. 14.2. И хотя очень рано делать окончательные выводы, этот факт может быть признаком того, что единства в космологическом описании достичь проще, если работать в более общем формализме M-теории.
Результаты, рассмотренные в этом и предыдущих пунктах, являются первыми пробными шагами к пониманию космологических следствий теории струн и M-теории. Физики ожидают новых глубоких результатов в недалёком будущем, когда будут усилены и применены к решению космологических проблем методы теории струн/M-теории, не опирающиеся на теорию возмущений.
Но так как сегодня эти методы недостаточно эффективны для того, чтобы с их помощью можно было понять космологию на основе теории струн, стоит обсудить некоторые общие соображения о возможной роли космологии в поисках окончательной теории. Нужно предупредить читателя, что некоторые из этих соображений имеют более гипотетический характер, чем те, что описывались выше, однако эти соображения позволяют поставить вопросы, с которыми в будущем может столкнуться любая окончательная теория, какой бы она ни оказалась.
Рассуждения о космологии и окончательная теория
Космология оказывает на нас глубочайшее, почти гипнотическое, воздействие. Понимание того, как всё происходило в начале, является, по крайней мере для некоторых из нас, наиболее близким прикосновением к тайне того, почему всё это началось. Здесь не утверждается, что современная наука устанавливает связь между вопросом «Как?», и вопросом «Почему?» — она этого не делает, и вполне может оказаться, что подобная научная связь никогда не будет установлена. Но космология держит своё слово и постепенно ведёт нас к наиболее полному пониманию арены действия «почему» — к пониманию рождения Вселенной. И это, по крайней мере, позволяет нам развивать научный подход, в рамках которого такие вопросы могут ставиться. Иногда глубокая осведомлённость в вопросе — лучшая замена отсутствующего ответа.
В процессе поисков окончательной теории эти высокопарные фразы уступают место более конкретным соображениям. Наше сегодняшнее видение Вселенной, безусловно, зависит от фундаментальных законов физики, но может зависеть и от факторов космической эволюции (т. е. от того, что находится слева на рис. 14.1), и, вообще говоря, может лежать за рамками обсуждения даже самой фундаментальной теории, описывающей то, что находится на этом рисунке на самом правом крае.
В этом несложно убедиться. Рассмотрим, например, что происходит при бросании мяча. Его движение будет определяться законами гравитации, но, пользуясь лишь этими законами, нельзя предсказать, где упадёт мяч. Нам также нужно знать величину и направление его скорости в момент броска. Иначе говоря, мы должны знать начальные условия. Во Вселенной также возможны аналогичные исторические взаимосвязи: то, почему звезда образовалась в одном месте, а планета в другом, определяется сложной цепью событий. По крайней мере, в принципе, эту цепь можно раскрутить назад во времени, и объяснить определённым событием при рождении Вселенной. Возможно, однако, что и более фундаментальные свойства Вселенной, например фундаментальные свойства частиц материи или частиц, передающих взаимодействие, могут прямо зависеть от эволюции, которая, в свою очередь, зависит от начальных условий во Вселенной.
В самом деле, мы уже упоминали об одном возможном воплощении этой идеи в теории струн. В процессе эволюции ранней Вселенной дополнительные измерения могли трансформироваться от одного вида к другому и в конце концов, когда температура достаточно спала, принять вид одного конкретного пространства Калаби — Яу. Но, как и в случае брошенного мяча, результат многочисленных изменений пространств Калаби — Яу может зависеть и от конкретных условий в начале этого процесса. А так как вид окончательного многообразия Калаби — Яу влияет на массы частиц и свойства взаимодействий, то космологическая эволюция и состояние в момент рождения Вселенной сильно влияют на наблюдаемые сегодня физические явления.
Мы не знаем, какими были начальные условия во Вселенной. У нас даже нет идей, понятий и языка, которые нужно использовать для их описания. По нашему мнению, безумные начальные условия с бесконечной энергией, плотностью и температурой в стандартной и инфляционной моделях есть признак того, что эти модели неверны и дают неправильное описание действительно существовавших начальных условий. Теория струн позволяет улучшить описание, доказывая, что такие экстремальные условия можно обойти. Однако ни у кого так и нет ответа на вопрос, как всё начиналось на самом деле. Недостаточность наших знаний распространяется даже на более грубый уровень: мы не знаем, можно ли вообще ставить вопрос об определении начальных условий, или будет ли этот вопрос всегда лежать за рамками любой теории, и задавать его столь же бессмысленно, сколь бессмысленно пытаться с помощью теории относительности пролить свет на то, с какой силой бросили мяч. Некоторые физики, такие как Хокинг и Джеймс Хартл из Калифорнийского университета, предпринимали отчаянные попытки направить вопрос о начальных космологических условиях в русло теоретической физики, но все эти попытки заканчивались плачевно. В настоящее время наш уровень понимания космологии в контексте теории струн/M-теории слишком примитивен для того, чтобы определить, достоин ли кандидат на «теорию всего» своего высокого предназначения, и определяются ли в его рамках начальные космологические условия, которые могут быть возведены затем в ранг физических законов. Это — главная тема будущих исследований.
Однако, даже безотносительно от проблемы начальных условий и их влияния на последующие зигзаги космической эволюции, в последнее время высказываются спекулятивные предположения о том, что существуют и другие потенциальные ограничения на способность объяснения мира любой окончательной теорией. Неизвестно, верны эти предположения или нет; на современном уровне развития науки это, разумеется, не важно. Однако сам факт провоцирует умозрительные доводы о том, что в любой окончательной теории могут возникнуть серьёзные препятствия.
Идея основана на следующей возможности. Представим себе, что то, что мы называем нашей Вселенной, есть лишь крошечная часть гораздо более широких космологических просторов, один из бесчисленного множества островов грандиозного космологического архипелага вселенных. Конечно, такое предположение может показаться искусственным (и оказаться, в конце концов, неверным), но существует конкретный механизм, который приводит к такой ситуации. Этот механизм был предложен Андреем Линде, обнаружившим, что рассмотренный выше резкий и кардинальный взрыв с инфляционным расширением мог быть не однократным. Напротив, согласно Линде, условия для возникновения инфляционного расширения могли создаваться многократно в рассеянных по пространству изолированных областях, каждая из которых затем проходила свою стадию расширения и формировала свою вселенную. И в каждой из этих вселенных процесс продолжается: в удалённых областях старых вселенных появляются ростки новых, и паутина расширяющихся вселенных продолжает разрастаться до бесконечности. Терминология становится немного громоздкой, но в духе веяний моды, дадим этому существенно обобщённому понятию вселенной название мульти-вселенная[51], а компоненты мульти-вселенной будем называть вселенными.
Важно отметить, что из утверждения главы 7 о единстве и согласованности законов физики во всей нашей Вселенной не следует то, что на эти законы будут влиять законы физики в других вселенных, коль скоро эти вселенные отделены от нашей или, по крайней мере, находятся так далеко, что свет из этих вселенных ещё не дошёл до нас. Поэтому можно допустить, что физика в разных вселенных разная. В некоторых вселенных различия могут быть небольшими. Например, масса электрона или константа связи сильных взаимодействий могут отличаться на тысячные доли процента. В других вселенных могут быть более существенные различия. Например, u-кварк может весить в 10 раз больше, чем u-кварк в нашей Вселенной, а электромагнитное взаимодействие может быть в 10 раз сильнее, чем у нас, со всеми вытекающими последствиями для жизни звёзд и для свойств окружающего мира, рассмотренных в главе 1. Наконец, могут быть вселенные, разительно отличающиеся от нашей: набор элементарных частиц и взаимодействий может быть совершенно иным; даже число протяжённых измерений может отличаться. Для некоторых вселенных это число может быть равно нулю или единице, а для других — восьми, девяти или даже десяти. Если дать волю фантазии, даже сами законы могут быть совершенно разными в разных вселенных. Число возможностей бесконечно.
Но в этом-то и дело. Если перебрать вселенные из этого огромного архипелага, окажется, что в большинстве из них нет благоприятных условий для жизни, по крайней мере в нашем её понимании. Для вселенных с существенно иными характеристиками это ясно: если бы наша Вселенная действительно выглядела, как вселенная Садового шланга, жизнь на ней, в нашем понимании, была бы невозможной. Однако даже очень слабые различия с нашим физическим миром повлияли бы на процесс образования звёзд и, например, на их способность служить космическими фабриками по производству сложных жизненно-важных атомов (таких, как углерод или кислород), которые разлетаются по всей Вселенной в результате взрывов сверхновых. Если, учитывая высокую чувствительность жизни к деталям физической конструкции, задаться теперь вопросом о том, почему взаимодействия и частицы в природе именно такие, какими мы их наблюдаем, то напрашивается следующий возможный ответ. На просторах мульти-вселенной они могут сильно отличаться, так что физические свойства в других вселенных могут быть и являются другими. Уникальность наблюдаемых нами свойств как раз в том, что в этих условиях возможно возникновение жизни. А жизнь, точнее жизнь разумных существ, есть необходимая предпосылка самого вопроса о том, почему свойства нашей Вселенной именно такие. Или, выражаясь яснее, они такие, потому что если бы они были другими, некому было бы задавать этот вопрос. Подобно тому, как удивление игрока, выигравшего в смертельную русскую рулетку с ничтожным шансом выжить, ослабевает с осознанием того, что в случае проигрыша некому было бы удивляться, принятие гипотезы мульти-вселенной снижает потребность получить объяснение, почему наша Вселенная выглядит так, а не иначе.
Эта аргументация является одним из вариантов идеи, давно известной под названием антропного принципа. Так, как она излагается, эта позиция диаметрально расходится с грёзами о единой и жёсткой теории с абсолютной предсказательной силой, в которой все выглядят так потому, что по-другому во Вселенной быть не может. Вместо того, чтобы быть воплощением поэтической красоты, где всё идеально связано друг с другом с неизменным изяществом, мульти-вселенная и антропный принцип приводят к чудовищному переизбытку вселенных с неутолимой жаждой к изменениям. Установить справедливость гипотезы о мульти-вселенной будет крайне сложно, если вообще возможно. Даже если другие вселенные и существуют, вполне возможно, что мы никогда не вступим с ними в контакт. Однако безграничное расширение просторов «снаружи» в концепции мульти-вселенной, созвучное с выводом Хаббла о том, что Млечный путь есть лишь одна из многих галактик, по крайней мере, предостерегает нас, не слишком ли многого мы ожидаем от окончательной теории?
Мы должны требовать, чтобы окончательная теория давала непротиворечивое квантово-механическое описание всех взаимодействий и всей материи. Мы должны требовать, чтобы окончательная теория приводила к неоспоримой космологической модели для нашей Вселенной. Однако если картина мульти-вселенной верна (а это ещё большой вопрос), то требовать от окончательной теории ещё и объяснения детальных свойств природы (например, масс и зарядов частиц) может означать требовать слишком многого.
Необходимо подчеркнуть, что даже если принять гипотезу о мульти-вселенной, вывод о том, что это снизит предсказательную силу теории далеко не бесспорен. Причина, если объяснять её на пальцах, состоит в следующем. Если дать волю фантазии и взять на вооружение гипотезу мульти-вселенной, следует также напрячь воображение и рассмотреть способы, как можно обуздать столь явный произвол, присущий этой гипотезе. Размышляя в консервативном духе, мы можем предположить (считая верной картину мульти-вселенной), что было бы возможным расширить окончательную теорию до её максимальных границ, и тогда «расширенная окончательная теория» сможет точно ответить на вопросы, как и почему значения фундаментальных параметров разбросаны именно так во всех составляющих вселенных.
И одним из умеренных способов будет предположение о возможности обобщения окончательной теории на все вселенные, в котором «обобщённая окончательная теория» сможет точно ответить на вопросы о значениях фундаментальных параметров во всех составляющих вселенных.
Более радикальный способ следует из предположения Ли Смолина из университета штата Пенсильвания. Под впечатлением схожести условий в момент Большого взрыва и в центре чёрных дыр, которые характеризуются колоссальной плотностью сжатой материи, он предположил, что чёрная дыра есть семя новой вселенной, рождающейся в муках Большого взрыва, но навеки спрятанной от нас за горизонтом событий чёрной дыры. Тем самым, предложив другой механизм образования мульти-вселенной, Смолин внёс и новый элемент — космический вариант генетической мутации, — устраняющий теоретические ограничения антропного принципа.{106} Допустим, рассуждает он, что свойства дочерней вселенной, распустившейся из почки чёрной дыры, близки, но не тождественны свойствам породившей её вселенной. Так как чёрные дыры образуются из потухших звёзд, а интенсивность образования звёзд определяется точными значениями масс и зарядов, то плодовитость конкретной вселенной сильно зависит от этих параметров. Следовательно, небольшие изменения параметров в дочерних вселенных приведут к появлению отпрысков, ещё более приспособленных к воспроизводству чёрных дыр, число дочерних вселенных в которых будет ещё больше.[52] За многие поколения вселенные будут настолько оптимизированы к воспроизводству чёрных дыр, что заполонят мульти-вселенную. Таким образом, Смолин предложил расходящийся с антропным принципом динамический механизм, в котором параметры следующих поколений вселенных будут всё ближе к значениям, оптимальным для образования чёрных дыр.
Даже в контексте мульти-вселенной этот подход приводит к новому способу объяснения характеристик материи и взаимодействий. Если теория Смолина верна, и если наша Вселенная является типичным элементом зрелой мульти-вселенной (конечно, оба эти «если» можно оспорить с многих точек зрения), то наблюдаемые нами характеристики частиц и взаимодействий должны быть оптимизированы для воспроизводства чёрных дыр. Иными словами, любое отклонение от этих параметров должно уменьшить эффективность образования чёрных дыр. Физики начали исследовать это утверждение, но в настоящее время они не пришли к согласию по этому вопросу. Однако даже если предположение Смолина окажется неверным, оно показывает, что окончательная теория может принять ещё один облик. С первого взгляда, этой теории может не хватать строгой определённости. Может оказаться, что она будет описывать огромное царство вселенных, большинство из которых не имеет отношения к нашей. Более того, можно предположить, что это обилие вселенных действительно реализуется физически и образует мульти-вселенную — нечто, на первый взгляд, навсегда ограничивающее нашу предсказательную силу. Однако данное обсуждение иллюстрирует, что окончательное объяснение всё же возможно, если нам удастся не только найти окончательные законы, но и установить их влияние на космологическую эволюцию в непредсказуемо широких масштабах.
Изучение космологических следствий из теории струн/M-теории будет, несомненно, главной темой исследований в XXI в. Не обладая ускорителями, способными разгонять частицы до энергий порядка планковской, мы будем вынуждены постоянно опираться на данные экспериментов «космологического ускорителя» Большого взрыва — на то, что разбросано этим взрывом по всей Вселенной. И если мы будем настойчивы, и нам будет сопутствовать удача, в конце концов нам удастся ответить на вопросы о том, что происходило при рождении Вселенной, или о том, почему она преобразовалась к виду, который предстаёт перед нами на земле и на небе. Конечно, от области, где зарыты разгадки фундаментальных проблем, нас отделяет пропасть неизведанного. Однако развитие квантовой теории гравитации в рамках теории суперструн усиливает уверенность в том, что современный теоретический аппарат поможет преодолеть эту пропасть и, после многих лет напряжённой работы, найти ответы на глубочайшие из когда-либо ставившихся вопросов.
Часть V. Единая теория в XXI веке
Глава 15. Перспективы
Пройдут века, и теория суперструн (или результат её развития в рамках M-теории) преобразится настолько по сравнению с современной формулировкой, что станет неузнаваемой даже для ведущих современных исследователей. Возможно, в ходе поисков «теории всего» обнаружится, что теория струн — всего лишь один из множества необходимых шагов на пути к гораздо более величественной концепции космоса, которая оперирует понятиями, совершенно непохожими на те, с которыми мы до сих пор сталкивались. История науки учит тому, что каждый раз, когда всё вокруг складывается в единую схему, природа обязательно приберегает для нас сюрпризы, которые требуют существенных, а иногда и радикальных изменений наших представлений об устройстве мира. Как и многие до нас, мы снова и снова самонадеянно убеждаем себя, что живём в тот самый период истории человечества, когда поиск фундаментальных законов Вселенной наконец-то близок к завершению. По словам Эдварда Виттена, «разгадка теории струн кажется нам столь близкой, что в моменты оптимистического подъёма мне представляется, как в один прекрасный день окончательная форма теории может просто свалиться с небес кому-то на голову. Скорее всего, однако, путь к этой теории — гораздо более глубокой, чем любая из построенных до сих пор, — будет долгим, и когда-нибудь в XXI в., когда я буду уже слишком стар, чтобы придумать что-либо полезное по этому вопросу, молодые физики должны будут решать, нашли мы окончательную теорию или нет».{107}
Хотя мы всё ещё ощущаем последствия второй революции в теории суперструн и продолжаем брать на вооружение порождённые ею открытия, по мнению большинства теоретиков, потребуется третий или даже четвёртый переворот такой же силы, чтобы высвободить всё могущество теории струн и оценить её роль как окончательной теории. Как мы видели, теория струн уже рисует новую замечательную картину того, как работает Вселенная, однако остаются значительные препятствия и слабые места, которые, без сомнения, станут объектом основного внимания теоретиков XXI в. Таким образом, в этой последней части книги мы не сможем закончить историю поиска человечеством наиболее глубоких законов Вселенной. Поиск продолжается. Вместо этого устремим наш взгляд в будущее теории струн и обсудим пять основных вопросов, с которыми струнные теоретики обязательно будут иметь дело в процессе поиска окончательной теории.
Что является фундаментальным принципом теории струн?
Один из универсальных уроков последнего столетия состоит в том, что известные законы физики находятся в соответствии с принципами симметрии. Специальная теория относительности основана на симметрии, описываемой принципом относительности, на симметрии между всеми системами отсчёта, движущимися относительно друг друга с постоянной скоростью. Гравитационное взаимодействие, в соответствии с его описанием в общей теории относительности, основано на принципе эквивалентности, обобщающем принцип относительности на случай произвольным образом движущихся систем отсчёта. Наконец, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия основываются на более абстрактных принципах калибровочной симметрии.
Физики, как мы уже говорили, склонны придавать особое значение принципам симметрии, поднимая их на пьедестал объяснения мироустройства. С этой точки зрения гравитация существует для того, чтобы все возможные системы отсчёта были равноправны — т. е. чтобы выполнялся принцип эквивалентности. Аналогично, негравитационные взаимодействия существуют для того, чтобы в природе соблюдались соответствующие им калибровочные симметрии. Естественно, такой подход заменяет вопрос о существовании определённого типа взаимодействия вопросом о том, почему в природе действуют соответствующие принципы симметрии. Но это, определённо, и есть прогресс, особенно когда рассматриваемая симметрия оказывается исключительно естественной. Например, с какой стати система отсчёта одного наблюдателя должна быть более предпочтительной, чем система другого? Напротив, с точки зрения фундаментальных законов вселенной кажется гораздо более естественным трактовать все системы отсчёта одинаково; это и достигается принципом эквивалентности и введением понятия о гравитации в структуру космоса. Аналогичное рациональное зерно есть и в калибровочных принципах, лежащих в основе трёх негравитационных взаимодействий (хотя, как обсуждалось в главе 5, для полного понимания этого факта требуется владение определённым математическим аппаратом).
В теории струн мы достигаем следующего уровня глубины при объяснении явлений, поскольку все описанные принципы симметрии, а также суперсимметрия возникают из структуры этой теории. В самом деле, если бы ход истории был иным и физики открыли бы теорию струн несколькими столетиями раньше, можно предположить, что все эти принципы симметрии были бы открыты при изучении теории струн. Однако не стоит забывать, что в то время как принцип эквивалентности даёт нам понимание того, почему существует гравитация, а калибровочные симметрии дают понимание того, почему существуют негравитационные силы, в контексте теории струн эти симметрии есть лишь следствия. И хотя их значимость никоим образом не преуменьшается, они — всего лишь часть выводов, содержащихся в гораздо большей теоретической структуре.
Данное обсуждение со всей ясностью приводит к следующему вопросу: является ли сама теория струн необходимым следствием некоторого более широкого принципа, — возможно, но необязательно, принципа симметрии, — в том же самом смысле, в котором принцип эквивалентности с неизбежностью приводит к общей теории относительности, а калибровочные симметрии приводят к негравитационным взаимодействиям? К моменту написания данной книги ответ на этот вопрос никому не известен. Чтобы осознать его важность, достаточно представить Эйнштейна, пытающегося сформулировать общую теорию относительности без тех счастливых идей, которые посетили его в Бернском патентном бюро в 1907 г. и привели к принципу эквивалентности. Нельзя утверждать, что формулировка общей теории относительности была бы невозможна, однако определённо она стала бы чрезвычайно затруднительной. Принцип эквивалентности предоставляет сжатый, систематичный и мощный организующий подход для анализа гравитационного взаимодействия. К примеру, описание общей теории относительности, которое мы дали в главе 3, существенным образом опирается на принцип эквивалентности, а роль последнего в полном математическом формализме теории ещё более критична.
В настоящее время теоретики находятся в положении Эйнштейна, утратившего принцип эквивалентности. С момента проницательного предположения Венециано в 1968 г. теория собиралась по кускам, открытие за открытием, революция за революцией. Однако центральный организующий принцип, который охватывает эти открытия, а также другие свойства теории в рамках одного универсального и систематического подхода, который делает существование каждого ингредиента абсолютно неизбежным, всё ещё не найден. Открытие этого принципа было бы центральным событием в развитии теории струн, так как это, вероятно, раскрыло бы внутренние механизмы теории с недостижимой ранее ясностью. Конечно, нет гарантии, что такой фундаментальный принцип существует, однако эволюция физики в течение последнего столетия даёт теоретикам основания надеяться, что он всё-таки есть. Так как мы рассматриваем следующую стадию развития теории струн, нахождение её «принципа безальтернативности» — той базовой идеи, из которой вся теория появится с необходимостью, — имеет высший приоритет.{108}
Что есть пространство и время на самом деле, и можем ли мы без них обойтись?
В предыдущих главах мы часто вольно использовали понятия пространства и пространства-времени. В главе 2 мы описали эйнштейновское понимание того, что пространство и время нерасторжимо перемешаны благодаря неожиданному факту, что движение объекта в пространстве влияет на его перемещение во времени. В главе 3 мы углубили наше понимание роли пространства-времени в описании космоса посредством общей теории относительности, которая показывает, что гравитационное взаимодействие между разными областями вызвано изменениями детальной структуры пространства-времени. Как обсуждалось в главах 4 и 5, необходимость учёта сильных квантовых флуктуаций в микромире привела к необходимости построения новой теории — так была открыта теория струн. И, наконец, в последующих главах мы видели, что согласно теории струн Вселенная имеет больше измерений, чем мы наблюдаем в повседневной жизни: некоторые измерения свёрнуты в крошечные, но сложные многообразия, способные претерпевать чудесные превращения, в которых их ткань прокалывается, рвётся и затем восстанавливает сама себя.
Мы попытались проиллюстрировать эти идеи на рис. 3.4, 3.6 и 8.10, представляя структуру пространства и пространства-времени в качестве куска материала, из которого сшита Вселенная. Эти рисунки обладают хорошей наглядностью и регулярно используются самими физиками в качестве наглядных пособий в практической работе. Хотя иллюстрации такого рода и дают постепенное ощущение понимания, всё же напрашивается вопрос: «Что мы реально имеем в виду, говоря о структуре Вселенной?».
Это глубокий вопрос, который в той или иной форме был предметом дебатов в течение сотен лет. Ньютон объявлял пространство и время вечными и неизменными ингредиентами в строении космоса, исходными структурами, лежащими за пределами вопросов и объяснений. В «Началах» Ньютон писал: «I. Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. II. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остаётся всегда одинаковым и неподвижным».{109}
Готфрид Лейбниц и другие шумно спорили, провозглашая, что пространство и время — всего лишь регистрационные приборы для удобной записи соотношений между объектами и событиями во Вселенной. Положение объекта в пространстве и во времени имеет смысл только в сравнении с другим объектом. Пространство и время есть лишь словарь для разговора об этих соотношениях, ничего более. Несмотря на то, что точка зрения Ньютона, поддержанная его тремя экспериментально проверенными законами движения, господствовала в течение более двух сотен лет, концепция Лейбница, развитая австрийским физиком Эрнстом Махом, гораздо ближе к современной картине. Как мы видели, специальная и общая теория относительности Эйнштейна решительно устранили понятие абсолютного и универсального пространства и времени. Однако можно спросить, является ли геометрическая модель пространства-времени, играющая центральную роль в общей теории относительности и теории струн, всего лишь удобной формулировкой для описания пространственных и временных отношений между различными событиями, или необходимо считать, что мы на самом деле погружены во что-то, когда говорим о нашем нахождении внутри ткани пространства-времени?
Хотя мы вступаем на территорию догадок, теория струн действительно предлагает ответ на этот вопрос. Гравитон, мельчайший сгусток гравитационных сил, является одним из частных примеров колебаний струны. И так же, как порождающее видимый свет электромагнитное поле состоит из огромного количества фотонов, гравитационное поле состоит из огромного числа гравитонов, т. е. из огромного числа мод колебаний струн, соответствующих этим частицам. В свою очередь, гравитационные поля кодируются искривлениями ткани пространства-времени, и поэтому мы должны отождествить структуру пространства-времени с колоссальным числом струн, методично колеблющихся в этой моде. На языке теории поля такой огромный организованный массив вибрирующих аналогичным образом струн известен как когерентное состояние струн. Это довольно поэтичный образ — струны как нити ткани пространства-времени, — но нужно заметить, что его строгая формулировка всё ещё не разработана до конца.
Тем не менее описание ткани пространства-времени в такой сшитой из струн форме на самом деле приводит к следующему вопросу. Обычный кусок ткани есть конечный продукт работы ткача, который аккуратно соединил вместе отдельные нити, являющиеся исходным материалом текстильных изделий. Поэтому можно спросить, не существует ли исходного материала для ткани пространства-времени, т. е. такой конфигурации струн космической структуры, в которой они ещё не срослись в организованную форму, узнаваемую нами в образе пространства-времени. Заметим, что не вполне корректно представлять это состояние как беспорядочную массу отдельных колеблющихся струн, которые затем должны сшиться вместе в упорядоченное целое, поскольку наше обычное восприятие заранее использует понятия пространства и времени — пространства колеблющихся струн и текущего времени, благодаря которым мы можем наблюдать изменение конфигурации от одного момента к последующему. В исходном состоянии, когда создающие структуру пространства-времени струны ещё не включились в упорядоченный, когерентный танец колебаний, пространства и времени не существует. Сам наш язык слишком груб, чтобы говорить о таких вещах: в нём нет слов, с помощью которых можно описать то, что происходило до этого танца. Можно, в каком-то смысле, представлять себе исходные несвязанные струны «осколками» пространства-времени, которые породят знакомое пространство-время лишь после того, как включатся в резонансные колебания определённого вида.
Представление такого бесструктурного исходного состояния, в котором нет понятий пространства и времени в обычном смысле, требует предельного напряжения ума у большинства людей (во всяком случае, у меня). Как в шутке Стивена Райта о фотографе, одержимом идеей получить снимок горизонта с близкого расстояния, мы вынуждены бороться со столкновением парадигм, когда пытаемся представить себе Вселенную, которая есть, но в которой каким-то образом не используются понятия пространства и времени. Тем не менее, вероятно, что нам придётся привыкнуть к таким понятиям и осознать их смысл ещё до того, как мы сможем полностью оценить теорию струн. Причина состоит в том, что современная формулировка теории струн заранее предполагает существование пространства и времени, в котором струны (и другие объекты M-теории) движутся и вибрируют. Это позволяет вывести физические свойства теории струн во Вселенной с одним временным измерением, определённым числом развёрнутых пространственных измерений (обычно равным трём) и определённым числом дополнительных измерений, которые свёрнуты в одну из конфигураций, допускаемых уравнениями движения теории. Такой вывод, однако, подобен оценке творческих способностей художницы, которую для этого заставляют раскрашивать детские «раскраски». Без сомнения, она внесёт персональное своеобразие в отдельные фрагменты, но при столь жёстких ограничениях на стиль живописи для нас откроется лишь доля её таланта. Аналогично, так как триумфом теории струн было естественное объединение квантовой механики и гравитации и так как гравитация связана с формой пространства и времени, мы не должны ограничивать теорию, заставляя её действовать в уже существующих рамках пространства-времени. Вместо этого, так же, как мы должны позволить нашей художнице работать с чистого листа, мы должны позволить теории струн создавать её собственную пространственно-временную арену, начиная с конфигурации, в которой пространство и время отсутствуют.
Есть надежда на то, что в теории, описывающей ход эволюции Вселенной с этой начальной точки (возможно, в эпоху до Большого взрыва, если, конечно, можно использовать временные термины — в отсутствие других лингвистических конструкций), возникнет фон когерентных колебаний струн, порождающий стандартные понятия пространства и времени. В таком подходе, если его удастся реализовать, пространство, время и, соответственно, размерность не являлись бы определяющими элементами Вселенной. Они были бы лишь удобными понятиями, вытекающими из существования более фундаментального первичного состояния.
Последние исследования по M-теории, возглавляемые Стивеном Шенкером, Эдвардом Виттеном, Томом Бэнксом, Вилли Фишлером, Леонардом Сасскиндом и многими другими, уже сейчас показывают, что некоторое представление о мире без пространства и времени может дать нечто, известное под названием нуль-брана. Этот объект, возможно, является наиболее фундаментальным в M-теории; на больших расстояниях он ведёт себя подобно точечной частице, однако на малых расстояниях его свойства совершенно иные. Исследования показали, что на масштабах, меньших планковских, нуль-браны, как и струны, демонстрируют нам неадекватность общепринятых понятий пространства и времени, однако при этом они позволяют взглянуть сквозь крошечное окошко на новый необычный мир, который там существует. Исследования с этими нуль-бранами показывают, что обычная геометрия заменяется новым аппаратом, известным под названием некоммутативная геометрия — областью математики, основы которой были разработаны французским математиком Аланом Конном.{110}
В этом геометрическом подходе общепринятые понятия пространства и расстояния между точками уступают своё место совершенно иному набору понятий. Физики показали, однако, что если мы будем работать с расстояниями, большими планковской длины, стандартное представление о пространстве-времени действительно восстановится. Возможно, подходу некоммутативной геометрии всё же недостаёт существенных моментов для описания самого изначального состояния, однако в нём уже содержится намёк на то, что должно входить в более полный формализм для исследования пространства и времени.
Нахождение корректного математического аппарата для формулировки теории струн без обращения к изначальным понятиям пространства и времени является одной из наиболее важных задач, с которыми сталкиваются теоретики. Разобравшись в том, как возникает пространство и время, мы могли бы сделать огромный шаг к ответу на ключевой вопрос, какая геометрическая структура возникает на самом деле.
Приведёт ли теория струн к переформулировке квантовой механики?
Вселенная подчиняется законам квантовой механики с фантастической точностью. Однако даже с учётом этого, при формулировке теорий за последние полвека физики следовали, конструктивно говоря, стратегии, в которой квантовой механике отводилось несколько второстепенная роль. При разработке теорий физики часто начинают исследование на чисто классическом языке, в котором игнорируются квантовые распределения вероятностей, волновые функции и т. д., на язке, который был бы понятен физикам времён Максвелла и даже времён Ньютона, и затем накладывают квантовые концепции на классические идеи. Этот подход не является чем-то удивительным, так как он прямо отражает наше восприятие. На первый взгляд, природой правят законы, коренящиеся в классических представлениях, таких, как частица, имеющая определённое положение и определённую скорость в любой заданный момент времени. Только после детальных исследований микромира мы осознали, что должны модифицировать эти знакомые классические идеи. Процесс развития науки прошёл эволюцию от классического подхода до подхода, модифицированного квантовыми результатами, что и по сей день находит своё отражение в том, как физики разрабатывают новые теории.
Это, естественно, касается и теории струн. Математический формализм, описывающий теорию струн, начинается с уравнений, описывающих движение крошечного, бесконечно тонкого куска классической нити, которые, в принципе, мог написать ещё Ньютон триста лет назад. Затем эти уравнения квантуются. Иными словами, в систематическом подходе, развитом физиками в течение более 50 лет, классические уравнения преобразуются в квантово-механические, куда естественным образом включены вероятности, неопределённость, квантовые флуктуации и т. д. Фактически, в главе 12 мы видели эту процедуру в действии: в петлевых процессах (см. рис. 12.6) используются квантовые понятия (в данном случае, мгновенное квантово-механическое рождение пар виртуальных струн), а число петель определяет точность, с которой учтены квантово-механические эффекты.
Стратегия, в которой сначала используется классическое теоретическое описание, а затем включаются квантово-механические эффекты, в течение многих лет являлась в высшей степени плодотворной. В частности, именно она лежит в основе стандартной модели физики частиц. Однако возможно и, судя по последним результатам, вероятно, что подобный метод слишком консервативен для обращения с теориями такого высокого полёта, как теория струн и M-теория. Причина состоит в том, что коль скоро мы осознали, что Вселенной управляют квантово-механические принципы, наши теории должны являться квантово-механическими с самого начала. Ранее нам успешно удавалось менять классическую точку зрения на квантовую, поскольку мы зондировали Вселенную недостаточно глубоко, чтобы этот грубый подход нас подводил. Однако, учитывая глубину теории струн/M-теории, мы вполне можем подойти к последней черте этой проверенной на практике стратегии.
Особые основания для этого возникают при пересмотре некоторых результатов второй революции в теории суперструн (подытоженных на рис. 12.11). Как мы обсуждали в главе 12, дуальности, лежащие в основе пяти струнных теорий, говорят о том, что физические процессы, происходящие в одной формулировке теории струн, могут быть переформулированы на языке любой из остальных. На первый взгляд, это перефразированная формулировка имеет мало общего с исходным описанием, но в этом и состоит сила дуальности: дуальность позволяет описывать один и тот же физический процесс несколькими совершенно различными способами. Эти результаты нетривиальны и удивительны, однако мы ещё не упомянули об их следствии, которое, возможно, важнее всего.
Процесс в одной из пяти теорий струн, который сильно зависит от квантовых эффектов (например, включающий струнные взаимодействия, которые не могли бы произойти в мире, управляемом классическими, а не квантовыми законами), преобразованиями дуальности может быть часто сведён к процессу, слабо зависящему от квантовых эффектов с точки зрения других теорий струн (например, к процессу, характеристики которого уточняются с учётом квантовых поправок, но качественная форма которого напоминает то, что могло происходить в чисто классическом мире). Это означает, что квантовая механика тесно переплетается с симметриями дуальности, лежащими в основе теории струн/M-теории: они являются неотъемлемыми квантово-механическими симметриями, так как одно из дуальных описаний сильно зависит от квантового рассмотрения. Из этого с необходимостью следует, что полная формулировка теории струн/M-теории, которая в основе своей включает обнаруженные симметрии дуальности, не может начинаться с классического рассмотрения, а затем подвергаться квантованию, как в обычном подходе. Если начинать с классической формулировки, то симметрии дуальности неизбежно будут упущены, так как они имеют место только в случае, если квантовые эффекты принимаются во внимание. Вместо этого оказывается, что полная формулировка теории струн/M-теории должна разрушить традиционный подход и дать жизнь полновесной квантово-механической теории.
В настоящее время никто не знает, как реализовать такой подход. Однако в качестве следующего крутого поворота в нашем понимании многие теоретики предвидят переформулировку того, как квантовые принципы встраиваются в наше теоретическое описание Вселенной. Например, как сказал Кумрун Вафа: «Я думаю, что переформулировка квантовой механики, которая разрешит многие из её загадок, уже очень близка. Я думаю, многие разделяют точку зрения, что недавно обнаруженные дуальности указывают на новое, более геометрическое описание квантовой механики, в котором пространство, время и квантовые свойства будут неразрывно связаны друг с другом».{111}
Или, согласно Эдварду Виттену, «я верю, что логический статус квантовой механики скоро изменится, и это будет похоже на то, как изменился логический статус гравитации, когда Эйнштейн открыл принцип эквивалентности. В случае квантовой механики такой процесс далёк от завершения, однако я думаю, что люди когда-нибудь будут рассматривать нашу эпоху как период начала этой науки».{112}
С разумным оптимизмом можно предположить, что переформулировка принципов квантовой механики в рамках теории струн может привести к более мощному формализму, который позволит понять, как рождалась Вселенная и почему есть такие сущности, как пространство и время — к формализму, который продвинет нас на шаг вперёд к ответу на вопрос Лейбница: почему есть «что-то», а не «ничто».
Можно ли теорию струн проверить экспериментально?
Среди многих свойств теории струн, которые мы обсудили в предыдущих главах, возможно, особенно важны три нижеследующих. Во-первых, гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной, и поэтому любой проект единой теории обязан включать и то, и другое. В теории струн это реализуется. Во-вторых, исследования на протяжении последнего столетия показали, что существуют и другие ключевые идеи, — многие из которых были проверены экспериментально, — являющиеся центральными для нашего понимания Вселенной. Среди этих идей мы упомянем спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочную симметрию, принцип эквивалентности, нарушение симметрии и суперсимметрию. Все эти идеи естественным образом вытекают из теории струн. В-третьих, в отличие от более общепринятых теорий, таких, как стандартная модель с её 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет. В принципе, её выводы должны быть совершенно определёнными — они должны обеспечить однозначную проверку того, верна теория или нет.
На пути от этого общего теоретизирования к практическому воплощению есть много препятствий. В главе 9 мы описали некоторые технические преграды, которые и сегодня стоят перед нами, например, определение вида добавочных измерений. В главах 12 и 13 мы рассмотрели эти и другие препятствия в более широком контексте необходимости точного понимания теории струн, которое, как мы видели, естественным образом приводит нас к M-теории. Без сомнения, для достижения полного понимания теории струн/M-теории потребуется очень много работы и столь же много изобретательности.
На каждом этапе исследований в теории струн физики искали и будут продолжать искать экспериментально наблюдаемые следствия теории. Мы не должны терять из виду и более отдалённые возможности для поиска подтверждений теории струн, обсуждённые в главе 9. В будущем, по мере углубления нашего понимания, без сомнения будут открыты другие эффекты или свойства теории струн, и они подскажут нам новые пути для косвенного экспериментального подтверждения. Важно отметить, что главной вехой для теории струн могло бы стать подтверждение суперсимметрии после открытия частиц-суперпартнёров, рассмотренных в главе 9. Напомним, что суперсимметрия была открыта в процессе теоретического исследования теории струн, и что это — центральная часть теории. Её экспериментальное обнаружение могло бы стать убедительным, хотя и косвенным, подтверждением теории струн. Более того, открытие частиц-суперпартнёров могло бы стимулировать новые исследования: важность подтверждения суперсимметрии не исчерпывается лишь выяснением ответа на вопрос о том, имеет ли она отношение к нашему миру. Значения масс и зарядов частиц-суперпартнёров покажут, каким конкретным образом суперсимметрия реализуется в законах природы. И у теоретиков, занимающихся струнами, будет шанс проверить, допускает ли эта реализация законченную формулировку и объяснение в рамках теории струн. Конечно, с ещё большим оптимизмом можно надеяться, что в течение следующих десяти лет, перед тем, как заработает Большой адронный ускоритель в Женеве, прогресс в понимании теории струн будет достаточным для того, чтобы сделать детальные предсказания о суперпартнёрах до их ожидаемого открытия. Подтверждение таких предсказаний стало бы моментом фундаментальной важности в истории науки.
Существуют ли пределы познания?
Объяснение всего — даже в ограниченном смысле понимания всех сторон взаимодействий и элементарных составляющих Вселенной — есть одна из величайших задач, с которыми когда-либо сталкивалась наука. И теория струн впервые даёт нам достаточно глубокий подход для решения этой задачи. Но сможем ли мы когда-нибудь понять всё, на что способна теория, и, например, вычислить массы кварков или константу связи электромагнитного взаимодействия, от точных значений которых так много зависит во Вселенной? Как говорилось выше, на пути к цели стоят многочисленные теоретические преграды; сегодня важнее всего построить законченную формулировку теории струн/M-теории, не опирающуюся на теорию возмущений.
Но может ли случиться так, что даже при полном понимании теории струн/M-теории в рамках новой и более прозрачной формулировки квантовой механики мы окажемся неспособными ответить на вопрос о вычислении масс частиц и констант взаимодействия? Возможно ли, что вместо теоретических вычислений нам опять придётся прибегнуть к экспериментальным измерениям для определения этих значений? И, более того, может ли так статься, что причиной этому будет не то, что требуется ещё более глубокая теория, а то, что объяснений этим наблюдаемым свойствам реального мира не существует?
На все эти вопросы можно сразу ответить «да». Как в своё время сказал Эйнштейн: «Наиболее необъяснимое во Вселенной — это то, что она объяснима».{113}
Удивление нашей способностью понимания Вселенной в целом легко улетучивается в век быстрого и впечатляющего прогресса. Возможно, однако, что существует предел познания. И существование этого предела мы будем вынуждены признать после того, как достигнем самого глубокого уровня понимания, который может предложить наука, а некоторые черты Вселенной всё же останутся необъяснёнными. Может быть, нам придётся принять, что определённые черты Вселенной таковы, каковы они есть, лишь вследствие стечения обстоятельств, случая или божественного предопределения. Успех научного подхода в прошлом дал нам смелость думать, что, обладая достаточным количеством времени и прилагая достаточные усилия, мы сможем раскрыть загадки природы. Однако столкновение с абсолютным пределом научных объяснений, а не с техническим препятствием или с текущими границами человеческого понимания, которые постепенно расширяются, будет шоком, к которому опыт прошлого не может нас подготовить.
Несмотря на то, что эта проблема непосредственно относится к поискам окончательной теории, разрешить её мы всё ещё не в силах; на самом деле, проблема предела научного познания (в приведённом выше широком смысле), возможно, не будет разрешена никогда. Мы видели, например, что даже для гипотезы мульти-вселенной, ограничивающей, на первый взгляд, возможность научного познания, существуют столь же гипотетические теории, в которых возможность познания восстанавливается (по крайней мере, в принципе).
Один из основных вопросов, возникающих при таком анализе — вопрос о роли космологии в установлении проявлений единой теории. Как мы обсуждали, суперструнная космология — это молодая наука, даже по стандартам молодой теории струн. Она, без сомнения, будет объектом пристального внимания исследователей в течение ближайших лет и, вероятно, станет одной из наиболее быстро развивающихся областей теории. По мере того, как мы продолжаем получать новые сведения о свойствах теории струн/M-теории, наша способность оценивать космологические проявления этой впечатляющей попытки построения единой теории станет даже сильнее. Возможно, конечно, что такие исследования однажды убедят нас в том, что предел научному познанию действительно существует. Но возможно и обратное: что они возвестят о новой эре, в которой фундаментальное объяснение Вселенной будет, наконец, найдено.
Достичь звёзд
Хотя технологические ограничения привязывают нас к Земле и её ближайшим спутникам в Солнечной системе, способность мыслить и экспериментировать позволила нам прощупать дальние зоны внутреннего и внешнего космического пространства. За последние сто лет коллективными усилиями многих физиков были раскрыты некоторые из самых глубочайших тайн природы. И эти добытые драгоценные крупицы познания расширили границы мира, который мы считали известным, но великолепие которого мы не могли себе и близко вообразить. Один из критериев глубины физической теории — это степень, в которой она изменяет наше мировоззрение в отношении тех понятий, которые до этого считались незыблемыми. В соответствии с этим критерием, квантовая механика и теория относительности находятся за гранью самых безумных ожиданий. Волновые функции, вероятности, квантовое туннелирование, беспорядочные флуктуации вакуумной энергии, перемешивание пространства и времени, относительность одновременности, искривление пространства, чёрные дыры, Большой взрыв. Кто мог предположить, что интуитивный, механистический, раз и навсегда заведённый мир Ньютона окажется жалким частным случаем, и что существует целый мир, лежащий прямо за порогом мира обычных вещей?
Но даже эти потрясающие основы открытия — лишь элементы всеобъемлющей схемы. С твёрдой верой, что законы большого и малого должны сливаться вместе в согласованное целое, физики упорно охотятся за ускользающей единой теорией. Поиск не завершён, но благодаря теории суперструн, обобщённой до M-теории, возникла, в конце концов, убедительная схема для объединения квантовой теории, общей теории относительности, а также теорий сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Изменения наших взглядов на мир, порождённые этими достижениями, фундаментальны: мы представляем себе струнные петли и вибрирующие капли, которые увлекают все элементы мироздания в танец колеблющихся мод, педантично исполняемый во Вселенной с многочисленными скрытыми измерениями, способными претерпевать экстремальные изгибы, при которых структура пространства-времени рвётся и затем снова себя восстанавливает. Кто мог подумать, что слияние гравитации и квантовой механики в единую теорию материи и взаимодействий приведёт к такой революции в нашем понимании устройства Вселенной?
Без сомнения, поиск законченного и удобного вычислительного формализма теории суперструн сулит ещё более грандиозные сюрпризы. Уже сейчас в исследованиях по M-теории мы увидели скрывающуюся за планковской длиной новую область Вселенной, в которой, возможно, нет понятия пространства и времени. И вот противоположная крайность: мы видели, что наша Вселенная может оказаться всего лишь одним из неисчислимых пузырей пены на поверхности широкого и турбулентного космического океана мульти-вселенной. Эти рассуждения сейчас кажутся невероятными, но они могут предвещать следующий скачок в нашем понимании Вселенной.
И в то время как наши взоры обращены в будущее в предвкушении грядущих чудес, мы можем оглянуться назад и изумиться проделанному пути. Поиск фундаментальных законов Вселенной — это определённо человеческая драма, которая укрепила разум и обогатила дух людей. Вот яркое описание Эйнштейна его собственного поиска смысла гравитации: «Годы беспокойного поиска во тьме с огромной жаждой результата, чередованием уверенности и опустошения, и, наконец, прорывом к свету».{114} Без сомнения, эта фраза — свидетельство человеческой борьбы. Мы все, каждый по-своему, искатели истины, и мы все жаждем ответа на вопрос, зачем мы в этом мире. Взбираясь вместе на гору познания, физики следующих поколений крепко стоят на плечах предыдущих, смело устремляясь к вершине. Удастся ли кому-нибудь из наших потомков получить полную картину и увидеть обширную и элегантную Вселенную во всей её ослепительной красе? Мы не можем этого предсказать. По мере того как каждое новое поколение взбирается немного выше, мы понимаем изречение Якоба Броновски: «В каждом веке есть поворотный момент, новый способ видения и признания согласованности мира».{115} И так как наше поколение уже восхищается новым видением Вселенной — нашим новым способом признания согласованности мира, мы выполнили часть задачи, построив свою ступеньку на лестнице, ведущей человека к звёздам.
Словарь научных терминов
Абелева калибровочная симметрия. Калибровочная симметрия в квантовой электродинамике.
Абсолютный нуль. Наинизшая возможная температура, равная 0 K пли примерно 273 °C.
Амплитуда. Максимальная высота вершины волны или минимальная глубина впадины волны.
Антиматерия. Материя, имеющая гравитационные свойства обычной материи, но противоположные по знаку электрический заряд и константы взаимодействия ядерных сил.
Античастица. Частица антиматерии.
Антропный принцип. Учение, объясняющее наблюдаемые свойства Вселенной тем, что при других свойствах возникновение жизни было бы маловероятно, и, следовательно, не было бы наблюдателей, способных увидеть эти отличия.
Атом. Фундаментальная строительная единица материи, состоящая из ядра (в которое входят протоны и нейтроны) и движущихся по орбитам электронов.
Безмассовая чёрная дыра. Особый тип чёрных дыр в теории струн, начальные массы которых могут быть велики, но уменьшаются по мере сжатия части многообразия Калаби — Яу. Когда эта часть пространства сжимается в точку, изначально массивные чёрные дыры становятся безмассовыми. В таком состоянии чёрная дыра не обладает более такими обычными для чёрных дыр свойствами, как горизонт событий.
Бесконечности. Бессмысленные результаты, характерные для вычислений в общей теории относительности и квантовой механике в формулировках, основанных на понятии точечной частицы.
Читать бесплатно другие книги:
