Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Феррейра Педро

Большинство моих коллег не горят желанием вносить изменения в грандиозные труды Эйнштейна — как говорится, если что-то работает, лучше это не трогать. Особенно это касается тех, кто принимал участие в славном возрождении 1960-х, когда общая теория относительности вышла из темного застойного прошлого, чтобы снова оказаться в центре внимания и превратиться в прекрасное средство для объяснения всего, от смерти звезд до судьбы Вселенной. Это поколение астрофизиков до сих пор ощущает магическую мощь теории Эйнштейна. Уровень лояльности я смог оценить на другой конференции, проводившейся в Королевском астрономическом обществе в 2010 году. В тех же залах, где Эддингтон представлял результаты экспедиции для наблюдения за затмением и клеймил Чандрасекара за предположение о возможности гравитационного коллапса, собранию астрофизиков и астрономов был задан вопрос: кто из

них верит в корректность теории Эйнштейна? Поднялось несколько рук. При ближайшем рассмотрении выяснилось, что они принадлежали представителям той группы, которая в 1960-е занималась широким внедрением общей теории относительности. По их мнению, теория была слишком странной и слишком красивой, чтобы вносить в нее какие бы то ни было изменения.

Невозможно отрицать колоссальные успехи общей теории относительности на протяжении XX века, но настало время взглянуть на вещи по-новому. Наука может только выиграть, если признает, что повторяется история с ньютоновской теорией гравитации. Она до сих пор применима и прекрасно работает; она позволяет объяснить движение объектов на нашей планете, движение планет и даже эволюцию галактик. Но в более экстремальных ситуациях она неприменима. При увеличении силы тяжести более полезные и точные прогнозы дает уже общая теория относительности Эйнштейна. И возможно, пришло время сделать следующий шаг и заняться поисками теории, превосходящей общую теорию относительности уже в ее граничных точках.

Проблемы с общей теорией относительности при очень больших или очень малых масштабах, а также для очень сильной или очень слабой силы тяжести могут быть индикаторами ее ограниченной применимости. Невозможность объединения общей теории относительности с квантовой физикой также может указывать на разность в поведении этих теорий в очень маленьком масштабе, в котором мы ищем между ними совпадения. Предсказание общей теории относительности, гласящее, что 96% нашей Вселенной заполнено темной и непонятной материей, может означать только неприменимость нашей теории гравитации. И сейчас, почти через сто лет после оглашения Эйнштейном своего открытия, возможно, имеет смысл пересмотреть границы его применимости.

История полна попыток модифицировать общую теорию относительности. С момента ее первой публикации Эйнштейн ощущал, что работа еще не окончена и теория является частью чего-то большего. Снова и снова он безуспешно пытался вставить общую относительность в свои великие теории объединения. Артур Эддингтон также провел последнее десятилетие своей жизни, пытаясь разработать собственную фундаментальную теорию, магический сплав расчетов, цифр и совпадений, позволяющий объяснить все, от электромагнетизма до пространства-времени. Поиск фундаментальной теории стал для Эддингтона амбициозным начинанием, которое медленно, но верно подрывало его престиж.

Физик из Кембриджа Поль Дирак считал общую теорию относительности Эйнштейна идеальным примером того, какой должна быть теория. В конце жизни он говорил: «Предусмотренная природой красота уравнений вызывает сильную эмоциональную реакцию», а в уравнениях Эйнштейна эта красота была. Еще Дираку не давали покоя наблюдаемые в окружающем мире совпадения численных значений, которые в случае действительно красивых фундаментальных уравнений просто не могли быть реальными совпадениями. В наблюдениях фигурировали кое-какие очень-очень большие числа, которые не могли оказаться случайными. Сравним электрическое взаимодействие между электроном и протоном с гравитационным взаимодействием между ними. Первое во много раз превосходит второе, и множитель в этом выражении содержит тридцать один ноль. Это чрезвычайно большое число, подходящее в качестве характеристики более серьезного параметра, например возраста Вселенной. Герман Вейль и Артур Эддингтон тоже считали, что для совпадения таких огромных чисел должна быть какая-то причина. Поль Дирак сделал шаг вперед, предположив, что сила тяжести, определяемая постоянной Ньютона, должна меняться во времени, что противоречит общей теории относительности.

Свою идею Дирак предложил в конце 1930-х, но никогда ее не развивал. В 1950-е и 1960-е годы Роберт Дикке и один из его принстонских студентов, Карл Вране, совместно с Паскуалем Йорданом из Гамбурга вдохнули в идею Дирака новую жизнь и создали альтернативу теории Эйнштейна. В определенной степени это было идеальное дополнение к общей теории относительности. Как выразился Карл Бранс: «Экспериментаторы, особенно из NASA, радостно восприняли возможность оспорить теорию, которая

долгое время не подтверждалась экспериментально». Подобным образом думали далеко не все, и как вспоминает Бранс: «Казалось, с течением времени многие теоретики испытали раздражение от того, что в теорию Эйнштейна вторгается другая область знаний».

После ухода в отставку Поль Дирак перебрался в университет штата Флорида и занялся обдумыванием некоторых своих странных идей. Иногда он признавался своим коллегам, что убежден в наличии лучшего, более естественного способа объяснения гравитации. Но особо о своих экспериментах в этой области он предпочитал не распространяться, боясь, что их могут счесть непредсказуемыми и умозрительными. К этому времени было сделано уже много попыток модифицировать общую теорию относительности, в основном обусловленных проблемами с поиском не содержащей бесконечностей теории квантовой гравитации. Когда дело доходит до квантовой физики, с гравитацией начинают происходить странные вещи, как указал в конце 1960-х советский физик Андрей Сахаров.

Сахаров наряду с Яковом Зельдовичем, Львом Ландау и многими другими входил в группу, собранную Игорем Курчатовым и Лаврентием Берией для работы над советским ядерным проектом. Сын учителя физики, в 1938 году в возрасте семнадцати лет Сахаров поступил в Московский государственный университет, во время войны работал инженером-изобретателем и в 1947 году получил степень кандидата физических наук в области теоретической физики. Как и Зельдович, Сахаров был успешным советским ученым. Бели Ландау спасла смерть Сталина, то Сахаров проработал над ядерным и термоядерным оружием даже дольше Зельдовича, почти двадцать лет.

В отличие от творческого, открытого и полагающегося на интуицию Зельдовича, Сахаров был больше подкован технически и сильнее интересовался абстрактными задачами. Друг о друге эти ученые отзывались с восхищением. Сахаров считал Зельдовича «человеком всесторонних интересов», в то время как Зельдович сделал комплимент уникальному и своеобразному способу решения задач своим коллегой, сказав: «Я не понимаю, как думает Сахаров».

С 1965 года Андрей Сахаров сосредоточился на космологии и гравитации, правда, работая в собственном темпе. Зельдович опубликовал множество работ, нагруженных новыми идеями, количество же публикаций Сахарова было далеко не таким внушительным. Его статей хватило бы разве что на тонкую книжку. Но среди них встречаются настоящие жемчужины, посвященные формированию структуры, происхождению материи и природе пространства-времени. В одной короткой блестящей работе утверждается, что законы, управляющие пространством-временем, — не более чем иллюзия, причиной которой является сложная квантовая природа реальности. С точки зрения Сахарова, вид и поведение пространства-времени во многом напоминают воду, кристаллы и другие сложные системы. И то, что, как нам кажется, мы видим, является не более чем картиной более фундаментальной реальности, нарисованной широкими мазками. Именно квантовые свойства молекул и слабая связь между ними однозначно придают воде вид жидкости, плещущейся вокруг нас и ведущей себя определенным образом. Несмотря на отличие в деталях, широкий взгляд Сахарова достаточно точно предсказал, как в результате прогресса в квантовой гравитации пространство-время будет восприниматься сейчас, почти сорок лет спустя.

Рассматривая теорию Эйнштейна, Сахаров предположил, что геометрия пространства-времени не является фундаментальным свойством, как не являются таковыми вязкость воды или упругость кристаллов. Эти свойства возникают из более базового описания реальности. Аналогичным образом из квантовой природы материи возникает гравитация. Простая трехстраничная работа Сахарова дала удивительный результат. Сделанное им предположение привело к естественному выводу уравнений Эйнштейна. Иными словами, квантовый мир естественным образом вызывал появление геометрии пространства-времени. Смоделированная Сахаровым теория гравитации в чем-то напоминала общую теорию относительности, но приводила к более сложному набору уравнений. Уравнения Эйнштейна сами по себе были настоящей пыткой; смоделированная же Сахаровым гравитация пошла еще дальше. Ее отличия от теории Эйнштейна проявлялись только при сильном искривлении пространства-времени вблизи черных дыр, в очень ранней Вселенной, когда все вокруг было горячим и плотным, или в микроскопическом масштабе, когда на сцену выходила квантовая пена Уиллера. Когда физические законы раздвигаются до границ своей применимости, они перестают работать и становятся частью нового, более обширного набора законов.