Черные дыры и молодые вселенные

Хокинг Стивен Уильям

В течение пятидесятых и шестидесятых годов считалось, что слабые и сильные ядерные силы не подвержены ренормализации, то есть чтобы стать конечными, они потребовали бы бесконечного числа бесконечных вычитаний. Получилось бы бесконечное число остатков, не определенных в теории. Такая теория не имела бы силы предсказывать что-либо, потому что неограниченное число параметров измерить нельзя. Однако в 1971 году Герард Хофт показал, что единую модель электромагнитных и слабых взаимодействий, предложенную ранее Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом, действительно можно ренормализировать конечным числом вычитаний. В протонной теории Салама – Вайнберга к частице со спином 1, несущей электромагнитное взаимодействие, присоединялись три других партнера со спином 1, названные W+, W– и Z0.Предполагалось, что при очень больших энергиях все эти четыре частицы будут вести себя одинаково. Однако при малых энергиях теория замечательно сочеталась с наблюдениями, и это побудило Шведскую Академию присудить Нобелевскую премию Саламу, Вайнбергу и Шелдону Глэшоу, который построил схожую единую теорию. Однако сам Глэшоу заметил, что Нобелевский комитет рисковал, так как у нас до сих пор нет достаточно мощных ускорителей, чтобы разогнать частицы и проверить эту теорию в режиме, когда единство между электромагнитными силами, заключенными в фотоне, и слабыми силами, заключенными в W+, W– и Z0, действительно

имеет место. Такой мощный ускоритель будет готов через несколько лет, и многие физики верят, что он подтвердит теорию Салама – Вайнберга 13 .

13. Фактически частицы W и Z наблюдались в лаборатории CERN в Женеве в 1983 г., и в 1984 г. другая Нобелевская премия была присуждена Карло Руббиа и Симону ван дер Меру, которые руководили группой, сделавшей это открытие. А Хофт эту премию упустил.

Успех теории Салама – Вайнберга привел к поиску схожей ренормализационной теории сильных взаимодействий. Довольно скоро стало ясно, что протоны и другие адроны, такие как пи-мезон, не могут быть поистине элементарными частицами, а должны быть связанными состояниями других частиц, называемых кварками. Последние, похоже, обладали любопытным свойством: хотя они довольно свободно двигались внутри адрона, оказалось невозможным получить собственно один кварк, – они всегда выходили либо группами по три (как протон или нейтрон), либо парами, состоящими из кварка и антикварка (подобно пи-мезону). Чтобы объяснить это, кварк наделили свойством, названным цветом. Следует подчеркнуть, что это свойство не имеет ничего общего с обычным пониманием цвета, – кварки слишком малы, чтобы увидеть их в видимом свете, это просто условный термин. Идея заключается в том, что кварки бывают трех цветов – красного, зеленого и голубого, но любое изолированное связанное состояние, такое как адрон, должно быть бесцветным или являть собой комбинацию красного, зеленого и голубого, как протон, или смесь красного и антикрасного, зеленого и антизеленого, голубого и антиголубого, как пи-мезон.

Предполагалось, что сильные взаимодействия между кварками осуществляются частицами со спином 1, так называемыми глюонами, довольно похожими на частицы, несущие слабые взаимодействия. Глюоны также имеют цвет и вместе с кварками подчиняются ренормализационной теории, называемой квантовой хромодинамикой, или, для краткости, КХД. Последовательность ренормализационной процедуры состоит в том, что эффективная константа связи теории зависит от энергии, на которой она измеряется, а на очень больших энергиях она уменьшается до нуля. Данный феномен известен как асимптотическая свобода. Это означает, что кварки внутри адрона при высокоэнергетических столкновениях ведут себя почти так же, как свободные частицы, поэтому к их поведению можно с успехом применять теорию возмущений. Предположения теории возмущений довольно хорошо согласуются с результатами наблюдений, но нельзя сказать, что эта теория получила экспериментальное подтверждение. На малых энергиях эффективная константа связи становится очень большой, и теория возмущений не срабатывает. Есть надежда, что это «инфракрасное рабство» объяснит, почему кварки всегда заключены в бесцветных связанных состояниях, но пока еще никто не сумел убедительно это продемонстрировать.

Построив одну ренормализационную теорию для сильных взаимодействий, а другую для слабых и электромагнитных, было естественно поискать теорию, которая бы объединила эти две. Этим теориям дали довольно преувеличенное название «великие обобщенные теории». Это название несколько сбивает с толку, потому что они и не великие, и не полностью обобщенные, и не совсем теории, поскольку в них содержится множество неопределенных ренормализационных параметров, таких как константы связи и массы. Тем не менее они, возможно, стали знаменательным шагом по направлению к единой теории. Основная идея состоит в том, что константа связи сильных взаимодействий, большая на малых энергиях, на высоких энергиях постепенно уменьшается вследствие асимптотической свободы. С другой стороны, эффективная константа связи в теории Салама – Вайнберга, малая на низких энергиях, на высоких постепенно возрастает, поскольку эта теория не является асимптотически свободной. Если экстраполировать низкоэнергетический коэффициент и уменьшать константы связи, то обнаружится, что две константы связи становятся равными на энергии порядка 10^15 ГэВ (ГэВ – гигаэлектронвольт – это миллиард электрон-вольт, что примерно равно энергии, которая высвободилась бы, если бы один атом водорода полностью преобразовать в энергию. Для сравнения: энергия, выделяемая при химических реакциях, таких как горение, равняется приблизительно одному электронвольту на атом). Данные теории предполагают, что выше этой энергии сильные взаимодействия объединяются со слабыми и электромагнитными, но на меньших энергиях имеет место спонтанное нарушение симметрии.

Энергия в 10^15 ГэВ находится за пределами возможности лабораторного оборудования; нынешнее поколение ускорителей может произвести энергию центра масс около 10 ГэВ, а следующее поколение сможет произвести примерно 100 ГэВ. Этого хватит, чтобы исследовать энергии, при которых электромагнитные силы, согласно теории Салама – Вайнберга, должны объединяться со слабыми взаимодействиями, но это не та гигантская энергия, когда слабые и электромагнитные взаимодействия должны объединяться с сильными взаимодействиями. Тем не менее «великие обобщенные теории» могут предсказать кое-что доступное для проверки в лаборатории. Например, эти теории предсказывают, что протон не должен быть совершенно стабилен, а должен распадаться со временем жизни порядка 10^31 лет. Нижний предел современных лабораторных исследований времени жизни равен примерно 10^30 лет, и должна быть возможность его улучшить. Другое предположение, которое можно проверить, касается соотношения во Вселенной адронов и фотонов. Для частиц и античастиц должны быть одни и те же физические законы. Точнее, они должны быть теми же самыми, если частицы заменить античастицами, правое заменить левым и скорости всех частиц заменить на обратные. Это известно как теорема СРТ, и она является следствием из базового допущения, которое должно содержаться в любой осмысленной теории. И все же Земля, а на самом деле и вся Солнечная система, сделана из протонов и нейтронов, без антипротонов и антинейтронов. В самом деле, такой дисбаланс между частицами и античастицами есть еще одно априорное условие нашего существования, так как, если бы Солнечная система состояла из равной смеси частиц и античастиц, они бы аннигилировали друг с другом и осталось бы одно излучение. Из наблюдаемого отсутствия такого аннигиляционного излучения мы можем заключить, что наша Галактика полностью состоит скорее из частиц, чем из античастиц. У нас нет прямого свидетельства насчет других галактик, но кажется вероятным, что они состоят из частиц и что во Вселенной в целом

частицы преобладают над античастицами – примерно в соотношении одна античастица к 10^8 частиц. Это можно принять в расчет, прибегнув к человеческому принципу, по «великие обобщенные теории» действительно дают механизм для объяснения такого дисбаланса. Хотя все взаимодействия, похоже, инвариантны к комбинациям С (замена частиц античастицами), Р (зеркальное отражение, левые и правые меняются местами) и Т (изменение направления движения всех частиц на обратное), известны взаимодействия, не инвариантные только к Г. В ранней Вселенной, где существует явно выраженное направление времени, заданное расширением, эти взаимодействия могут порождать больше частиц, чем античастиц. Однако число, которое они дают, очень зависит от модели, так что соответствие с наблюдениями вряд ли можно считать подтверждением «великих обобщенных теорий».

Пока что большинство усилий было направлено на то, чтобы обобщить первые три категории физических взаимодействий – сильные и слабые ядерные силы и электромагнетизм. Последней, четвертой, – гравитацией – пренебрегали. Одним из оправданий было то обстоятельство, что гравитация слишком слаба, и потому квантовый гравитационный эффект будет большим только на энергиях частиц выше достижимых на каком-либо ускорителе. Другое оправдание – что гравитация вряд ли ренормализуема: для получения конечного ответа, похоже, придется делать бесконечное число бесконечных вычитаний с соответственно бесконечным числом неопределенных конечных остатков. И все же, если мы хотим получить действительно всеобщую теорию, сюда надо включить и гравитацию. К тому же классическая общая теория относительности говорит, что должны существовать пространственно-временные сингулярности с бесконечно сильным гравитационным полем. Такие сингулярности имели место в начале нынешнего расширения Вселенной (Большой Взрыв) и, видимо, могут проявиться в будущем при гравитационном коллапсе звезд и, возможно, самой Вселенной. Вообще наличие сингулярностей ставит под сомнение классическую теорию. Однако не видно причины, почему она должна оказаться неверной, пока гравитационные поля не усилятся настолько, чтобы квантовый гравитационный эффект оказался существенным. Таким образом, квантовая теория гравитации является неотъемлемой частью общей теории, если мы хотим описать раннюю Вселенную и затем как-то объяснить начальные условия, а не просто прибегать к человеческому принципу.

Такая теория также нужна, если мы хотим ответить на вопрос: действительно ли время имеет начало и, возможно, конец, как это предсказывает классическая общая теория относительности, или сингулярности в Большом Взрыве и Большом Сжатии некоторым образом смазываются квантовыми эффектами? Это слишком трудный вопрос, чтобы ответить на него определенно, когда само строение пространства и времени подчиняется принципу неопределенности. Лично я ощущаю, что сингулярности, вероятно, все же существуют, хотя в математическом смысле время можно продолжить за них. Однако всякое время в субъективном понимании, относящееся к сознанию или способности производить измерения, должно когда-нибудь закончиться.

Каковы же перспективы создания квантовой теории гравитации и объединения ее с тремя другими категориями взаимодействий? Вся надежда, пожалуй, в дальнейшем обобщении общей теории относительности, называемом теорией супергравитации. В ней гравитация – частицы со спином 2, несущие гравитационное взаимодействие, – соотносится с другими нолями, описываемыми частицами с меньшим спином с помощью так называемых суперсимметричных трансформаций. Основное достоинство этой теории в том, что она уводит нас от старой дихотомии между «материей», представленной частицами с половинными спинами, и «взаимодействиями», представленными частицами с целочисленными спинами. Ее огромным преимуществом является и то, что бесконечности, возникающие в квантовой теории, взаимно отменяют друг друга. Отменяются ли все они, давая теории что-то конечное без бесконечных вычитаний, – это пока неизвестно. Есть надежда, что да, так как можно показать, что теории, включающие гравитацию, или конечны, или неренормализуемы, то есть если производить бесконечные вычитания, придется делать бесконечное число их с соответственно бесконечным числом неопределенных остатков. Таким образом, если все бесконечности в супергравитации окажутся взаимно отменены, мы могли бы получить теорию, не только полностью объединяющую все материальные частицы и взаимодействия, но и завершенную в том смысле, что она не будет иметь неопределенных по величине параметров ренормализации.

Хотя мы еще не имеем подходящей квантовой теории гравитации, не говоря уж о теории, обобщающей и другие физические взаимодействия, у нас есть идея относительно некоторых особенностей, которые она должна иметь. Одна из них связана с тем фактом, что гравитация влияет на случайные структуры пространства-времени, то есть гравитация определяет, какие события могут случайно связываться с другими. Пример этого в классической общей теории относительности – черные дыры, представляющие собой область пространства-времени, где гравитационное поле так сильно, что свет или другие сигналы затягиваются туда и не могут выскользнуть во внешний мир. Это интенсивное гравитационное поле около черной дыры приводит к возникновению пар частица-античастица, одна из которых падает в черную дыру, а другая улетает в бесконечность. Улетающие частицы словно бы излучаются черной дырой. Удаленный от черной дыры наблюдатель может измерять только вылетающие частицы и не может связывать их с упавшими в черную дыру, потому что не наблюдает их. Это означает, что вылетающие частицы имеют повышенный уровень случайности или непредсказуемости по сравнению с тем, который обычно связан с принципом неопределенности. В нормальных ситуациях принцип неопределенности подразумевает возможность точно предсказать или положение, или скорость частицы, или сочетание положения и скорости. Таким образом, грубо говоря, способность делать определенные утверждения делится пополам. Однако в случае с частицами, вылетевшими из черной дыры, невозможность наблюдать происходящее в черной дыре означает, что нельзя определенно предсказать ни положение, ни скорость вылетающих частиц. Все, что можно сказать, – это вероятности, с которыми частицы вылетают в определенных режимах.

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 совершенного термического равновесия, так как оно относилось бы к наибольшему числу микроскопических конфигураций и, следовательно, к наибольшей вероятности. Перефразируя вольтеровского Панглоса, можно сказать, что «мы живем в наиболее вероятном из возможных миров».