Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Хокинг

Представляется, что даже если мы построим единую теорию, то, возможно, сумеем сделать только статистические утверждения. Нам также придется отказаться от точки зрения, что существует лишь одна Вселенная, которую мы наблюдаем. Вместо этого придется привыкнуть к картине, где существуют всевозможные вселенные с некоторым вероятностным распределением. Это могло бы объяснить, почему Вселенная началась с Большого Взрыва в условиях почти идеального теплового равновесия, так как именно равновесие соответствует наибольшему числу микроскопических конфигураций и, следовательно, наибольшей вероятности. Перефразируя вольтеровского Панглосса, можно сказать, что «мы живем в наиболее вероятном из возможных миров».

Каковы же перспективы, что мы построим завершенную единую теорию в не слишком отдаленном будущем? Каждый раз, когда мы распространяем наши наблюдения на меньший масштаб и более высокие энергии, мы открываем новые структурные уровни. В начале XX века открытие броуновского движения с типичной энергией частиц в 3 × 10-2 эВ показало, что материя не непрерывна, а состоит из атомов. Чуть позже было открыто, что эти предположительно неделимые атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг ядра с энергией в несколько электронвольт. Ядро, в свою очередь, оказалось состоящим из так называемых элементарных частиц, протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными связями порядка 106 эВ. Далее мы обнаружили, что протоны и электроны состоят из кварков, удерживаемых вместе связями с энергией порядка 109 эВ. И свидетельством того, как далеко мы зашли в теоретической физике, стали гигантские машины и куча денег на эксперименты, результаты которых мы предсказать не можем.

Исходя из прошлого опыта можно было бы предположить, что существует бесконечная последовательность структурных уровней со все более и более высокой энергией. В самом деле, такой взгляд на бесконечную регрессию ящиков в ящиках был официальной догмой в Китае при Банде Четырех. Однако похоже, что гравитация должна обеспечить какой-то предел, но только в очень малом масштабе расстояний, порядка 10-33 см, или при очень высокой энергии – порядка 1028 эВ. При масштабах меньше этого можно ожидать, что пространство-время перестанет вести себя как континуум и из-за квантовых флюктуаций гравитационного поля превратится в пенообразную структуру.

Существует очень большая неисследованная область между нашим нынешним экспериментальным пределом примерно в 1010 эВ и гравитационным ограничением в 1028 эВ. Предположение, которое делают «великие обобщенные теории», а именно что в таком огромном интервале существуют только один или два структурных уровня, может показаться наивным. Однако есть почва для оптимизма. В данный момент, по крайней мере, представляется, что гравитацию можно объединить с другими физическими взаимодействиями только в какую-либо теорию «супергравитации». Оказалось, что число таких теорий конечно. В частности, самая большая из них – так называемая расширенная супергравитация с N = 8. Она содержит в себе один гравитон, семь частиц со спином 3/2, названных гравитино, двадцать восемь частиц со спином 1, пятьдесят шесть частиц со спином ½ и семьдесят частиц со спином 0. Как ни велики эти цифры, они не так огромны, чтобы мы не смогли объяснить все частицы, которые, похоже, наблюдаем в сильных и слабых взаимодействиях. Например, теория с N = 8 имеет двадцать восемь частиц со спином 1. Их достаточно, чтобы объяснить глюоны, несущие сильные взаимодействия, и две частицы из четырех, несущие слабые взаимодействия, но не оставшиеся две. Поэтому придется поверить, что многие или большинство из наблюдаемых частиц, такие как глюоны или кварки, в действительности не элементарные частицы, как кажется в настоящий момент, а связанные состояния фундаментальных частиц теории с N = 8. Если спроецировать нынешние экономические тенденции на будущее, не верится, что мы получим достаточно мощные ускорители, способные в обозримом будущем или вообще когда-либо прозондировать эти составные структуры. Тем не менее тот факт, что эти связанные состояния возникают из четкой теории с N = 8, позволяет нам сделать множество предположений, которые можно проверить на энергиях, доступных уже сейчас или в ближайшем будущем. Низкоэнергетические предсказания данной теории так хорошо согласуются с наблюдениями, что эта теория сейчас в целом принята, хотя мы еще не достигли энергии, при которой можно делать обобщение.

В описывающей Вселенную теории должно быть что-то очень четкое. Почему эта теория должна войти в жизнь, в то время как остальные теории существуют лишь в умах их изобретателей? Теория супергравитации с N = 8 имеет несколько заявлений, выделяющих ее из остальных. Похоже, она может оказаться единственной теорией, которая: а) работает в четырех измерениях, б) охватывает гравитацию, в) конечна без каких-либо бесконечных вычитаний.

Я уже указал, что, если нам нужна завершенная теория без всяких параметров, третье свойство необходимо. Однако первые два трудно объяснить, не прибегая к антропному принципу. Похоже, что есть непротиворечивая теория, удовлетворяющая требованиям а) и б), но не охватывающая гравитацию. Однако в такой Вселенной, вероятно, не найдется притягивающих сил, достаточных, чтобы собрать материю в большие массы, что, вероятно, необходимо для развития сложных структур. Вопрос, почему пространство-время должно быть четырехмерным, обычно считается вне компетенции физики. Однако для этого тоже есть хороший аргумент, опирающийся на антропный принцип. Трех измерений для пространства-времени – то есть двух для пространства и одного для времени – явно не хватает для сложного организма. С другой стороны, если бы пространство имело более трех измерений, орбиты планет вокруг Солнца или электронов вокруг ядра были бы нестабильны и по спирали сходили бы внутрь. Это оставляет возможность для более чем одного измерения времени, но я из тех, кому такую Вселенную вообразить слишком трудно.

Пока что я косвенно допустил, что окончательная теория в принципе может существовать. Но так ли это? Есть по крайней мере три возможности:

1. Может быть единая завершенная теория.

2. Не может быть никакой окончательной теории, но может быть бесконечная последовательность таких теорий, что каждый частный класс наблюдений можно предсказать, взяв из цепи достаточно продвинутую теорию.

3. Не может быть никакой теории. Наблюдения нельзя описать или предсказать дальше определенной точки, за которой они становятся непредсказуемыми.

Третья точка зрения выдвигалась как аргумент против ученых XVII и XVIII веков: как могут они формулировать законы, ограничивающие свободу Бога передумать? Тем не менее они сформулировали, и это сошло им с рук. В нынешние времена возможность 3 мы уничтожили, охватив ее схемой: квантовая механика является ярким примером теории того, чего мы не знаем и не можем предсказать.

Возможность 2 дает нам картину бесконечной последовательности структур все более и более высокой энергии. Как я уже сказал, это представляется маловероятным, так как можно предположить, что на энергии Планка, порядка 1028 эВ, будет предел. Это оставляет нам возможность 1. В данный момент единственным реальным кандидатом является теория супергравитации с N = 8[16]. Может быть, в ближайшие годы будет сделано множество важных расчетов, которые, возможно, покажут несостоятельность этой теории. Если же она выдержит эти проверки, вероятно, пройдет еще несколько лет, прежде чем мы разработаем вычислительные методы, которые позволят нам что-то предсказывать, и прежде чем мы сможем объяснить начальные условия Вселенной так же, как частные физические законы. Это будет основной проблемой для физиков-теоретиков на следующую пару десятилетий. Но чтобы не заканчивать на такой несколько панической ноте, скажу, что им вряд ли понадобится существенно больше времени. Сейчас огромную помощь в исследованиях оказывают компьютеры, но их должен направлять человеческий разум. Однако если экстраполировать скорость их развития в последнее время, может показаться вполне реальным, что в будущем они целиком возьмут на себя теоретическую физику. Так что, возможно, уже виден конец если не теоретической физики, то физиков-теоретиков.