Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной - Стивен Хокинг

В настоящее время перспективы создания такой теории выглядят намного реалистичнее, поскольку мы гораздо больше знаем о Вселенной. Но следует остерегаться излишней самонадеянности. Прежде мы уже питали ложные надежды. Например, в начале XX века считалось, что все можно объяснить в терминах свойств непрерывной материи, таких как упругость и теплопроводность. Открытие строения атома и принципа неопределенности положили конец этой точке зрения. В 1928 г. Макс Борн сказал группе посетителей Гёттингенского университета: «Физике в нашем современном понимании через полгода придет конец». Его уверенность основывалась на недавнем открытии Дирака, который вывел уравнение движения электрона. Предполагали, что аналогичное уравнение должно описывать поведение протона — второй из двух известных в то время частиц, и это будет концом теоретической физики. Однако открытие нейтрона и ядерных сил перевернуло устоявшиеся представления.

Говоря об этом, я все же верю, что у нас есть основания для осторожного оптимизма — возможно, наши поиски основных законов природы близки к завершению. На данный момент в нашем распоряжении имеется целый ряд частных теорий. У нас есть общая теория относительности, частная теория гравитации, а также частные теории слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий. Последние три могут быть объединены в так называемую теорию великого объединения. Этого недостаточно, поскольку она не включает в себя гравитацию. Основная трудность поиска теории, объединяющей гравитацию с остальными силами, заключается в том, что общая теория относительности — это классическая теория. То есть она не включает в себя квантовомеханический принцип неопределенности. С другой стороны, остальные частные теории во многом зависят от квантовой механики. Поэтому первым делом необходимо объединить общую теорию относительности с принципом неопределенности. Как было показано, это может привести к некоторым замечательным выводам, например о том, что черные дыры не так уж черны и что Вселенная полностью замкнута и не имеет границы. Проблема заключается в том, что принцип неопределенности означает, что даже пустое пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Эти пары должны обладать бесконечной энергией. Значит, их гравитационное притяжение должно свернуть Вселенную до бесконечно малых размеров.

Довольно похожие, по-видимому абсурдные, бесконечности встречаются и в других квантовых теориях. Однако в этих теориях бесконечности можно исключить с помощью процесса, называемого перенормировкой. Он включает корректировку масс частиц и сил взаимодействий в теории с использованием бесконечных величин. Хотя этот метод сомнителен с точки зрения математики, он, похоже, действительно работает на практике. Предсказания, сделанные с его помощью, согласуются с наблюдениями с чрезвычайно высокой степенью точности. Однако перенормировка имеет серьезный недостаток с точки зрения создания единой теории. При вычитании бесконечности из бесконечности можно получить любой желаемый результат. То есть эта теория не может предсказать фактические значения масс и сил взаимодействий. Их приходится подбирать в соответствии с наблюдениями. В случае общей теории относительности можно корректировать только две величины: силу гравитации и значение космологической постоянной. Но подгонки этих параметров недостаточно для того, чтобы избавиться от всех бесконечных величин. Таким образом, получается теория, предсказывающая, что некоторые величины, например кривизна пространства-времени, в действительности являются бесконечными, и в то же время наблюдения и измерения показывают, что они имеют конечные значения. В попытке справиться с этой проблемой в 1976 г. была предложена теория «супергравитации». По сути это была общая теория относительности с добавлением некоторых дополнительных элементарных частиц.

В общей теории относительности носителем силы гравитации можно считать частицу со спином 2, называемую «гравитон». Идея заключалась в добавлении других новых частиц со спинами 3/2, 1, 1/2 и 0. В некотором смысле все эти частицы можно было бы считать разными проявлениями одной и той же «суперчастицы». Виртуальные пары частица-античастица со спинами 1/2 и 3/2 должны иметь отрицательную энергию. Это позволило бы уравновесить положительную энергию виртуальных пар частиц со спинами 0, 1 и 2. Таким способом удалось бы исключить многие из возможных бесконечностей, но оставались подозрения, что некоторые бесконечности все же останутся. Впрочем, расчеты, способные прояснить, остались ли нескомпенсированные бесконечности, столь громоздки и сложны, что никто не был готов ими заниматься. Было подсчитано, что даже при использовании компьютера это займет не менее четырех лет. Высока вероятность того, что в расчетах будет допущена по меньшей мере одна ошибка, а может и больше. Чтобы убедиться в том, что получен правильный ответ, кто-то другой должен был повторить вычисления и получить тот же результат, а это казалось маловероятным.

(Вверху) Мировой лист струны представляет собой цилиндр или трубку.

(Внизу) Две струны могут соединиться в одну.

Из-за этой проблемы мнение ученых склонилось в пользу теорий струн. Основными объектами в этих теориях являются не элементарные частицы, занимающие одну точку в пространстве, а объекты, обладающие длиной и не имеющие других измерений, такие как бесконечно тонкие струны. В каждый момент времени частица занимает одну точку пространства. Таким образом, ее история может быть представлена в виде линии в пространстве-времени, которую называют «мировой линией». Струна же в каждый момент времени занимает в пространстве линию. Так что ее история в пространстве-времени представляет собой двумерную поверхность, называемую «мировым листом». Любая точка на таком мировом листе может быть описана двумя величинами, одна из которых указывает время, а другая — положение точки на струне. Мировой лист струны представляет собой цилиндр или трубку. Срез трубки — это окружность, отражающая положение струны в определенный момент времени.

Две струны могут соединиться в одну. Это напоминает соединение двух штанин брюк. Аналогичным образом одна струна может разделиться на две. В теориях струн то, что раньше считали частицами, теперь представляется в виде волн, распространяющихся по струне, как по бельевой веревке. Испускание или поглощение одной частицы другой соответствует разделению или соединению струн. Например, сила гравитационного воздействия Солнца на Землю соответствует трубке или трубопроводу в форме буквы «H». Теория струн в некотором смысле чем-то напоминает водопроводное дело. Волны, распространяющиеся по двум вертикальным сторонам «H», соответствуют частицам, относящимся к Солнцу и Земле, а волны, распространяющиеся по горизонтальной перекладине, соответствуют гравитационному взаимодействию между ними.