Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
Шрифт:
В течение 1950-х и 1960-х как сильное, так и слабое межъядерные взаимодействия систематически анализировались и подробно изучались. По мере того как улучшалось их понимание, между ними и электромагнитным взаимодействием начало проявляться математическое сходство, заставляя предположить, что, возможно, речь идет об одной и той же силе, которая в зависимости от ситуации проявляется себя по-разному. К концу 1960-х Стивен Вайнберг из Массачусетского технологического института, Шелдон Глэшоу из Гарварда и Абдус Салам из Имперского колледжа в Лондоне предложили новый способ объединения по меньшей мере двух из этих взаимодействий — электромагнитного и слабого межъядерного — в электрослабое взаимодействие. Сильное межъядерное взаимодействие пока не получилось включить в эту концепцию, но оно было так похоже на остальные силы, что существовало твердое убеждение в возможности «большой, единой теории» электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. В 1970-е выяснилось, что теории электрослабого
Ее приняли все, кроме Поля Дирака. Ему импонировало молодое поколение, создавшее стандартную модель, его восхищала часть выполненных математических расчетов, но одновременно он не раз выступал против бесконечностей и против, как он выражался, гнусных уловок с перенормированием. В нескольких публичных лекциях, в которых он упоминал стандартную модель, Дирак упрекал своих коллег за то, что они не попытались разработать более приемлемую теорию, не содержащую бесконечностей.
К концу своей кембриджской карьеры Дирак все больше замыкался в себе. Он упрямо отвергал нововведения в квантовой физике. Несмотря на тягу к уединению, он считал, что его игнорирует остальной физический мир, принявший квантовую электродинамику и причисляющий его к фигурам из прошлого. Поэтому он отошел от дел, предпочитая работать в своем кабинете в колледже Святого Джона, избегая кафедры, профессором которой он являлся, и не обращая внимания на крупные открытия в области общей теории относительности, сделанные Деннисом Сиамой, Стивеном Хокингом, Мартином Рисом и их соавторами. Как вспоминал один из сотрудников Кембриджа: «Дирак был призраком, который редко появлялся и никогда не вступал в разговоры». В 1969 году он ушел в отставку с поста Лукасовского профессора математики и перебрался во Флориду, получив пост профессора в местном университете. В последние годы он без удивления узнал, что общая теория относительности не допускает перенормирования.
Брайс Девитт не подозревал, к какой борьбе приведет его увлечение квантовой теорией. Работая в Гарварде с Джулианом Швингером, он лично стал свидетелем рождения квантовой электродинамики. Решив заняться проблемой гравитации, Девитт предпочел рассматривать ее в одном ключе с электромагнетизмом, пытаясь воспроизвести успех квантовой электродинамики. Между электромагнитным и гравитационным взаимодействиями существовало определенное сходство: это были силы большого радиуса действия. В квантовой электродинамике передача электромагнитного взаимодействия осуществляется частицами без массы — фотонами. Это взаимодействие можно описать так: множество фотонов снуют между заряженными частицами, например электронами и протонами, и в зависимости от их относительных зарядов расталкивают их в стороны или толкают друг к другу. Аналогичным способом Девитт подошел к квантовой теории гравитационных взаимодействий, заменив фотоны другой частицей без массы — гравитоном. Гравитоны должны были сновать между массивными частицами, толкая их друг к другу и создавая то, что мы привыкли считать гравитационным притяжением. Подобный подход оставлял за бортом все красивые геометрические построения. Хотя гравитация до сих пор описывалась в терминах уравнений Эйнштейна, Девитт предпочел считать ее очередным взаимодействием, к которому применимы методы квантовой электродинамики.
В течение следующих двадцати пяти лет Девитт искал способ квантования гравитона, но столкнулся с колоссальными трудностями. В очередной раз уравнения Эйнштейна оказались слишком запутанными и громоздкими для работы. Он наблюдал за развитием других теорий и подмечал там аналогичные сложности. Но если проблемы с объединением сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, судя по всему, постепенно решались, общая теория относительности упрямо не желала втискиваться в рамки применяемых к этим взаимодействиям правил квантования. В своей борьбе Девитт был не одинок: до него попытки квантования гравитона предпринимали Матвей Бронштейн, Поль Дирак, Ричард Фейнман, Вольфганг Паули и Вернер Гейзенберг. Создатели успешной модели электрослабого взаимодействия Стивен Вайнберг и Абдус Салам пытались применять приемы, разработанные ими для стандартной модели, но оказалось, что в случае с гравитацией возникают большие сложности.
Работа Девитта по квантованию гравитона привлекла внимание ряда ученых. Его подбадривал Джон Уиллер, студенты которого тоже корпели над данной проблемой, а также пакистанский физик Абдус Салам, Деннис Сиама из Оксфорда и Стэнли Дезер из Бостона. Тем не менее общая реакция на работу в области квантования
В феврале 1974 года Великобритания находилась в состоянии застоя. Подскочила цена на нефть, череда слабых правителей пыталась сдержать рост инфляции, страну затопили производственные конфликты. Время от времени рабочая неделя сокращалась до трех дней для экономии энергии, а веерное отключение электричества означало, что ужинать то и дело приходилось при свечах. Именно в эти мрачные дни было созвано заседание, посвященное подведению итогов процесса квантования гравитации, которым Девитт занялся почти двадцать пять лет назад. Несмотря на мрачный экономический климат, в начале Оксфордского симпозиума, посвященного квантовой гравитации, царила эйфория. Предсказания разработанной Глэшоу, Вайнбергом и Саламом стандартной модели физических частиц нашли блестящее подтверждение благодаря гигантскому ускорителю частиц в ЦЕРН. Несомненно, подобное должно было случиться и в области квантовой гравитации.
Но по мере того как докладчики представляли варианты решений и идей, снова и снова возникала одна и та же проблема, мешающая провести квантование гравитационных взаимодействий наиболее перспективным и популярным способом. Подход Девитта, требующий забыть о геометрии и представить гравитацию обычной силой, не сработал. Организаторы, перефразируя Вольфганга Паули, беспокоились, что «человеку не дано соединить то, что разорвал Бог». Проблема состояла в том, что общая теория относительности сильно отличалась от квантовой электродинамики и стандартной модели. Последние всегда позволяли перенормировать все массы и заряды фундаментальных частиц, избавившись от бесконечностей, мешающих получить осмысленный результат. Однако при применении этого приема к общей теории относительности все летело в тартарары. Бесконечности, не поддающиеся перенормированию, упорно продолжали появляться. Стоило уничтожить их в одной части теории, как они возникали в другой. Перенормировать всю теорию одним махом оказалось невозможно. А описываемые ею гравитационные взаимодействия были слишком запутанными и разнообразными, чтобы перенормировать их, как другие силы. Завершая свое выступление на симпозиуме, Майк Дафф сказал: «Кажется, обстоятельства складываются против нас, и от невозможности перенормирования нас может спасти только чудо».
Квантовая гравитация зашла в тупик. Общая теория относительности отказалась присоединиться к остальным взаимодействиям в рамках одной картины. Как хмуро отметил в посвященной симпозиуму статье журнал Nature: «Презентация М. Даффом технических результатов послужила лишь подтверждением тому, какие огромные усилия нужно приложить даже для небольшого продвижения вперед». Эта неудача была еще более обидной на фоне огромного прогресса в релятивистской астрофизике, черных дырах и космологии предшествовавших лет, не говоря уж про впечатляющие успехи стандартной модели в физике частиц.
Оксфордский симпозиум больше походил на признание поражения, исключая удивительное выступление кембриджского физика Стивена Хокинга. Тема выступления касалась черных дыр и квантовой физики. В своем докладе Хокинг показал, что существует некая активная зона, в которой возможно объединение квантовой физики и общей теории относительности. Более того, он брался доказать, что на самом деле черные дыры не были черными, а испускали чрезвычайно тусклый свет. Это диковинное заявление за следующие четыре десятилетия позволило преобразовать квантовую гравитацию.
К началу 1970-х Стивен Хокинг стал неотъемлемой частью Кембриджа. Он работал на кафедре прикладной математики и теоретической физики. В возрасте всего тридцати лет он уже был авторитетом по общей теории относительности. Вышедший из группы учеников Денниса Сиамы, Хокинг работал с Роджером Пенроузом над доказательством существования в начале времен сингулярностей. В первой половине 1970-х он заинтересовался космологией и черными дырами, после чего совместно с Брэндоном Картером и Вернером Израэлем однозначно доказал отсутствие у черных дыр волос: черные дыры не сохраняют информацию о процессе своего формирования, а все дыры с одинаковыми массой, моментом импульса и зарядом неотличимы друг от друга. Кроме того, Хокинг получил интересные данные о размерах черных дыр. Он обнаружил, что поверхность Шварцшильда, или горизонт событий объекта, полученного слиянием двух черных дыр, должна быть больше или равна сумме их поверхностей Шварцшильда. На практике это означает, что если просуммировать область, занятую черными дырами до и после любого физического события, она всегда будет больше.