Вселенная Стивена Хокинга - Стивен Хокинг

В седьмой главе объяснялось, каким образом черные дыры испускают частицы и излучение, и механизм состоит в следующем: один из членов виртуальной пары частица-античастица (например античастица) падает в черную дыру, и второй член остается без партнера, с которым мог бы аннигилировать. Одинокая частица тоже может упасть в черную дыру, но может также и уйти из ее окрестностей. В последнем случае удаленный наблюдатель примет ее за частицу, испущенную черной дырой.

Впрочем, излучение черной дыры можно описать в виде иной, эквивалентной интуитивной схемы. Компонент виртуальной пары, упавший в черную дыру (например античастицу), можно рассматривать как частицу, движущуюся от черной дыры назад во времени. По достижении момента, когда рождается виртуальная пара частица-античастица, она тут же рассеивается гравитационным полем черной дыры и превращается в частицу, которая движется вперед по времени, удаляясь от черной дыры. А в случае если в черную дыру упала частица, ее можно рассматривать как античастицу, движущуюся назад по времени и исходящую из черной дыры. То есть излучение черных дыр показывает, что квантовая теория допускает возможность движения назад по времени на микроскопических масштабах и что перемещения во времени такого рода могут иметь наблюдаемые проявления.

Напрашивается вопрос: допускает ли квантовая механика возможность путешествий во времени на макроскопическом уровне, которой могли бы воспользоваться люди? На первый взгляд это кажется вероятным. По Фейнману, суммирование надлежит выполнять по всем траекториям, то есть не исключая траектории с таким искривлением пространства-времени, которое разрешает визит в прошлое. Почему у нас не возникает проблем с историей? Предположим, к примеру, что кто-то отмотал назад несколько лет и раскрыл нацистам секрет атомной бомбы…

Этих проблем можно избежать, если взять на вооружение то, что я называю гипотезой защиты хронологии. В согласии с ней законы физики «сговорились», чтобы не позволить макроскопическим телам передавать информацию в прошлое. Как и гипотеза космической цензуры, она не доказана, но есть все основания считать ее верной.

Гипотеза защиты хронологии заслуживает доверия, потому что когда пространство-время искривлено достаточно, чтобы сделать возможными путешествия в прошлое, виртуальные частицы, движущиеся по замкнутым траекториям в пространстве-времени, могут превращаться в реальные частицы, движущиеся вперед по времени со скоростями, равными скорости света, или медленнее. Эти частицы проходят по этой петле произвольное число раз и столько же раз минуют любую точку своей траектории. Таким образом, их энергия учитывается снова и снова, и плотность энергии становится очень высокой. В результате пространство-время обретает положительную кривизну, которая не позволяет попасть в прошлое. Пока еще не до конца понятно, становится ли под действием этих частиц кривизна положительной или отрицательной или же кривизна, продиктованная некоторыми типами виртуальных частиц, может подменяться кривизной, порожденной частицами другого типа. Так что вопрос о возможности путешествий во времени остается открытым. Но я не готов делать ставки на исход этого спора. У моего оппонента может оказаться нечестное преимущество: не исключено, что будущее ему уже известно.

Как мы уже выяснили в первой главе, построить полную единую теорию всего во Вселенной – чрезвычайно трудная задача. Поэтому мы продвигались вперед, создавая частные теории, описывающие ограниченный круг событий, пренебрегая другими эффектами или учитывая их приблизительно через определенные параметры. (Например, химия позволяет вычислять взаимодействия между атомами, и для этого не нужно знать внутреннего строения атомного ядра.) Мы надеемся в конце концов создать всеобъемлющую непротиворечивую теорию, которая включит в себя все частные теории на правах приближений и которую не придется настраивать путем подбора значений констант, чтобы согласовать с реальностью. Поиски такой теории известны как «объединение физики». Последние годы своей жизни Эйнштейн посвятил попыткам – безуспешным – отыскать подходящую модель, но то было стремление опередить свое время: тогда уже существовали частные теории тяготения и электромагнитных сил, а о ядерных силах было известно мало. К тому же ученый отказывался признавать реальность квантовой механики, несмотря на ту роль, которую сыграл в ее разработке. И все же принцип неопределенности, как видится, играет фундаментальную роль в нашей Вселенной, а следовательно, успешная единая теория должна учитывать его.

Как станет ясно дальше, сейчас перспективы появления такой теории намного радужнее, потому что мы куда больше знаем о Вселенной. Но не будем слишком самонадеянными – немало наших надежд обернулись миражами! Например, в начале XX века казалось, что все можно объяснить через свойства сплошного вещества – упругость, теплопроводность и прочее, но открытие структуры атома и принципа неопределенности поставили на этих планах жирный крест. В 1928 году, физик и лауреат Нобелевской премии Макс Борн и вовсе заявил группе ученых, посетивших Гёттингенский университет: «С физикой, какой мы ее знаем, через шесть месяцев будет покончено». Причиной его уверенности было незадолго до этого выведенное Полем Дираком уравнение, описывающее поведение электрона. Предполагалось, что аналогичное уравнение будет справедливо и для протона – другой известной на тот момент элементарной частицы[44] – и что это станет приговором для теоретической физики. Но планы ученых в очередной раз были нарушены: состоялось открытие нейтрона и ядерных сил. Впрочем, я считаю, что все же есть некоторые основания для осторожного оптимизма, что наши поиски фундаментальных законов природы, возможно, вскоре увенчаются успехом.

В предыдущих главах я рассказал об общей теории относительности, частной теории гравитации, а также о частных теориях слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий. Последние три можно объединить в рамках так называемых теорий великого объединения (англ. Grand Unified Theories; GUT), которые пока несовершенны: они не учитывают гравитацию и содержат ряд параметров, например отношения масс различных частиц, численные значения которых нельзя предсказать в рамках самой теории, а приходится подбирать, исходя из экспериментальных данных. Главная проблема теории, объединяющей тяготение с другими видами взаимодействий, в том, что общая теория относительности – это классическая теория; она не принимает во внимание принцип неопределенности квантовой механики. При этом другие частные теории существенно зависят от квантовой механики. Следовательно, на первом этапе необходимо интегрировать принцип неопределенности в общую теорию относительности. Как мы уже видели, такое сочетание имеет замечательные следствия, например, что черные дыры совсем не черные, что во Вселенной нет сингулярностей, что она полностью самодостаточна и не имеет границ. Как мы выяснили в седьмой главе, сложность в том, что в соответствии с принципом неопределенности даже «пустое» пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Суммарная энергия этих пар должна быть бесконечна и, следовательно, как указывает знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2, их масса тоже должна быть бесконечной. Таким образом, их сила тяготения должна свернуть Вселенную до бесконечно малого размера.