Черные дыры и молодые вселенные
Шрифт:
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 века открытие броуновского движения с типичной энергией частиц в 3 х 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 10^6 эВ. Далее мы обнаружили, что протоны и электроны состоят из кварков, удерживаемых вместе связями с энергией порядка 10^9 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
Существует очень большая неисследованная область между нашим нынешним экспериментальным пределом примерно в 10^10 эВ и гравитационным ограничением в 10^28 эВ. Предположение, которое делают «великие обобщенные теории», а именно что в таком огромном интервале существует только один или два структурных уровня, может показаться наивным. Однако есть почва для оптимизма. В данный момент, по крайней мере, представляется, что гравитацию можно обобщить 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 гравитоносами, двадцать восемь частиц со спином 1, пятьдесят шесть частиц со спином 1/2 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, несущих 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 человеческому 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 человеческий 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
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 10^28 эВ, будет предел. Это оставляет нам возможность 1. В данный момент единственным реальным кандидатом является теория супергравитации с N = 8 14 . 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.
14. Теории супергравитации представляются единственными теориями частиц со свойствами а), б) и в), но с тех пор, как это было написано, появился огромный интерес к так называемым «сверхструнным» теориям. В них основным объектом являются не точечные частицы, а протяженные объекты вроде маленьких петель или струн. Идея состоит в том, что частицы только кажутся нам частицами, а в действительности являются колебаниями петель. Эти сверхструнные теории на низком энергетическом пределе, похоже, сводятся к теории супергравитации, но пока что от них не было большой пользы при выдвижении экспериментально проверяемых предположений.
8. Мечта Эйнштейна
В первые годы XX века две новые теории совершенно изменили наше представление о пространстве и времени, да и о самой реальности тоже. Более чем через семьдесят пять лет мы все еще осознаем их смысл и пытаемся обобщить их в единую теорию, которая опишет все во Вселенной. Эти две теории – общая теория относительности и квантовая механика. Общая теория относительности имеет дело с пространством и временем: как они в большом масштабе искривляются и деформируются материей и энергией во Вселенной. Квантовая механика имеет дело с малыми масштабами. Она включает в себя так называемый принцип неопределенности, утверждающий, что одновременно нельзя точно измерить и положение, и скорость частицы, – чем точнее измеряешь одно, тем менее точно измеряешь другое. Всегда есть элемент неопределенности или случайности, и это фундаментальным образом влияет на поведение материи в малом масштабе. Эйнштейн почти единолично создал общую теорию относительности и сыграл важную роль в развитии квантовой механики. Его чувства к последней выражаются фразой «Бог не играет в кости». Но все свидетельствует о том, что Бог – заядлый игрок, и при всякой возможности Он бросает кости.
В данном эссе я попытаюсь изложить основные идеи, стоящие за этими теориями, и объяснить, почему Эйнштейн был так недоволен квантовой механикой. Я также опишу некоторые примечательные моменты, которые, похоже, имеют место при попытках объединить эти две теории. Существует утверждение, что время началось примерно пятнадцать миллиардов лет назад и что когда-то в будущем оно может закончиться. И все же в другом виде времени Вселенная не имеет границ. Она не возникла и не исчезнет. Она просто есть.
Начну с теории относительности. Государственные законы действуют лишь в одной стране, но физические законы одинаковы и в Британии, и в Соединенных Штатах, и в Японии. Они действуют и на Марсе, и в туманности Андромеды. Более того: законы всё те же, с какой бы скоростью мы ни двигались. Законы на сверхскоростном экспрессе или на реактивном самолете такие же, что и для тех, кто стоит на месте. В действительности, конечно, стоящий неподвижно на Земле движется вокруг Солнца со скоростью примерно 18,6 мили (30 км) в секунду. Но все это движение не имеет никакого значения для физических законов – они одни и те же для всех наблюдателей.
Эта независимость от скорости системы впервые была открыта Галилеем, который разработал законы движения таких объектов, как пушечное ядро или планета. Однако когда люди попытались распространить эту независимость от скорости наблюдателя на законы движения света, возникла проблема. В XVIII веке было открыто, что свет распространяется от источника до наблюдателя не мгновенно, он движется с определенной скоростью – около 186 000 миль (300 000 км) в секунду. По относительно чего эта скорость? Казалось, что во всем пространстве должна быть какая-то среда, через которую проходит свет. Эту среду назвали эфиром. Идея заключалась в том, что свет со скоростью 186 000 миль в секунду распространяется в эфире, и это означало, что наблюдатель, неподвижный относительно эфира, измерит скорость света, равную примерно 186 000 милям в секунду, а наблюдатель, движущийся в эфире, измерит большую или меньшую скорость. Однако в 1887 году тщательный эксперимент, выполненный Майкельсоном и Морли, показал, что скорость света неизменна. Не важно, с какой скоростью движется наблюдатель, – он всегда измерит скорость света, равную 186 000 милям в секунду.