Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Около десяти лет назад я и несколько моих друзей предложили сценарий произошедшего в самом раннем начале. Мы использовали теорию струн и представления о дополнительных измерениях и бранах, чтобы предложить новый механизм для инфляции – быстрого расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. Наш механизм дал весьма характерный признак мерцания, видимого в огненном шаре Большого взрыва.

Затем, пять лет спустя, спутник Planck сфотографировал этот огненный шар с лучшим за все время разрешением. И нашего предсказанного сигнала там не было. Возможно, сигнал по-прежнему можно будет найти, если посмотреть пристальнее, но пока наша теория в ее самой наивной форме просто неверна. Может показаться странным такое хвастовство с нашей стороны, за исключением того, что наш теоретический сценарий описывал события через 10 –37секунд после Большого взрыва. Поразительно, что мы можем заглянуть так далеко в прошлое и применить научный метод, проверяя, что произошло, а что нет. На самом деле мы можем поставить мировой рекорд по эмпирической ошибочности раньше, чем кто-либо другой. Способность сравнить теорию и эксперимент в таких экстремальных условиях придает мне некоторую надежду, что в конечном итоге мы сможем выяснить, что случилось во время Большого взрыва».

Возьмите книгу и сожгите ее. С практической точки зрения вы потеряли информацию, написанную на страницах, но фактически она по-прежнему закодирована в неуловимых корреляциях молекул воздуха или в мерцании языка пламени. Книга может быть утрачена, но информация, которую она несла, продолжает жить, хотя и в форме, которую трудно расшифровать.

Предположим, однако, что вы берете ту же книгу и выбрасываете ее в черную дыру. Если вы подождете достаточно долго, черная дыра испарится. Хокинг спросил: где информация сейчас? Он показал подробными вычислениями с использованием общей теорией относительности, что она исчезла. Ее нельзя обнаружить в свете, испущенном черной дырой. Но один из фундаментальных принципов квантовой механики гласит, что информация не может быть потеряна. Испарение черных дыр, судя по всему, противоречит квантовой механике. Это явление известно как информационный парадокс.

С 70-х годов XX века было еще много попыток понять, что происходит с информацией внутри черной дыры. Большинство ученых думают, что в итоге она выйдет, так что противоречий с квантовой механикой нет. Однако никто так и не смог найти ошибку в вычислениях Хокинга. Похоже, что и общая теория относительности нам врет. Но как в таком случае нужно изменить теорию, чтобы это исправить? К сожалению, этого пока никто не знает. Подробный анализ информационного парадокса и его последствий для теории квантовой гравитации см. ниже в параграфе «Огненная стена черной дыры: неприятности на краю».

Возможно, Вселенная дает нам и другие зашифрованные ключи к квантовой гравитации. Одним из них является темная энергия – так мы называем то, что ускоряет расширение Вселенной. Хорошие новости в том, что случайные квантовые флуктуации пустого пространства действуют как темная энергия, приводя к ускорению расширения пространства. К сожалению, когда мы подсчитываем, насколько быстрым это расширение должно быть, то получаем слишком большой результат, по крайней мере в 10 60раз больше нужного. Это одно из худших предсказаний в истории науки. Ясно, что мы пропускаем что-то важное, как-то связанное с механизмом реагирования пространства на квантовое вещество. Но что это? Опять же, никто не знает.

Вопросы квантовой гравитации по сути касаются того, что означают пространство и время в квантовой Вселенной. Мы перепробовали много подходов к квантовой гравитации. На данный момент лучше всего разработана теория струн, в отличие от остальных предоставляющая проверку и подтверждение того, что квантовая механика и общая теория относительности могут счастливо сосуществовать. Также есть набор и других идей, но пока ни один из этих подходов не может ответить на основные вопросы, которые поставили бы их разработку на первое место. Что произошло во время Большого взрыва? Что заменяет сингулярность в черной дыре? Как информация уходит из черной дыры? Эти вопросы уже предстоит решать будущим поколениям.

Теория струн показывает, что по крайней мере возможно примирить квантовую механику с гравитацией. Но это не означает, что такой способ выбрала сама природа. Законы, управляющие нашей Вселенной, возможно, логически не согласуются, но в ней существует своего рода заговор, не позволяющий нам обнаружить эту непоследовательность на практике – как физическое воплощение математической теоремы о неполноте Курта Гёделя. Тот факт, что эффекты квантовой гравитации появляются в местах, которые мы просто не способны наблюдать, уже может расцениваться как свидетельство этого заговора.