Стивен Хокинг - Краткая история времени. От Большого взрыва до черных дыр [litres]

Как мы уже выяснили в первой главе, построить полную единую теорию всего во Вселенной – чрезвычайно трудная задача. Поэтому мы продвигались вперед, создавая частные теории, описывающие ограниченный круг событий, пренебрегая другими эффектами или учитывая их приблизительно через определенные параметры. (Например, химия позволяет вычислять взаимодействия между атомами, и для этого не нужно знать внутреннего строения атомного ядра.) Мы надеемся в конце концов создать всеобъемлющую непротиворечивую теорию, которая включит в себя все частные теории на правах приближений и которую не придется настраивать путем подбора значений констант, чтобы согласовать с реальностью. Поиски такой теории известны как «объединение физики». Последние годы своей жизни Эйнштейн посвятил попыткам – безуспешным – отыскать подходящую модель, но то было стремление опередить свое время: тогда уже существовали частные теории тяготения и электромагнитных сил, а о ядерных силах было известно мало. К тому же ученый отказывался признавать реальность квантовой механики, несмотря на ту роль, которую сыграл в ее разработке. И все же принцип неопределенности, как видится, имеет фундаментальное значение в нашей Вселенной, а следовательно, успешная единая теория должна учитывать его.

Как станет ясно дальше, сейчас перспективы появления такой теории намного радужнее, потому что мы куда больше знаем о Вселенной. Но не будем слишком самонадеянными – немало наших надежд обернулись миражами! Например, в начале XX века казалось, что все можно объяснить через свойства сплошного вещества – упругость, теплопроводность и прочее, но открытие структуры атома и принципа неопределенности поставили на этих планах жирный крест. В 1928 году физик и лауреат Нобелевской премии Макс Борн и вовсе заявил группе ученых, посетивших Гёттингенский университет: «С физикой, какой мы ее знаем, через полгода будет покончено». Причиной его уверенности было незадолго до этого выведенное Полем Дираком уравнение, описывающее поведение электрона. Предполагалось, что аналогичное уравнение будет справедливо и для протона – другой известной на тот момент элементарной частицы [45] – и что это станет приговором для теоретической физики. Но планы ученых в очередной раз были нарушены: состоялось открытие нейтрона и ядерных сил. Впрочем, я считаю, что все же есть некоторые основания для осторожного оптимизма, что наши поиски фундаментальных законов природы, возможно, вскоре увенчаются успехом.

В предыдущих главах я рассказал об общей теории относительности, частной теории гравитации, а также о частных теориях слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий. Последние три можно объединить в рамках так называемых теорий великого объединения, которые пока несовершенны: они не учитывают гравитацию и содержат ряд параметров, например отношения масс различных частиц, численные значения которых нельзя предсказать в рамках самой теории, а приходится подбирать, исходя из экспериментальных данных. Главная проблема теории, объединяющей тяготение с другими видами взаимодействий, в том, что общая теория относительности – это классическая теория, то есть она не принимает во внимание принцип неопределенности квантовой механики. При этом другие частные теории существенно зависят от квантовой механики. Следовательно, на первом этапе необходимо интегрировать принцип неопределенности в общую теорию относительности. Как мы уже видели, такое сочетание имеет замечательные следствия, например, что черные дыры совсем не черные, что во Вселенной нет сингулярностей, что она полностью самодостаточна и не имеет границ. Как мы выяснили в седьмой главе, сложность в том, что в соответствии с принципом неопределенности даже «пустое» пространство заполнено парами виртуальных частиц и античастиц. Суммарная энергия этих пар должна быть бесконечна и, следовательно, как указывает знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc 2 , их масса тоже должна быть бесконечной. Таким образом, их сила тяготения должна свернуть Вселенную до бесконечно малого размера.

Аналогичные, кажущиеся нелепыми бесконечности [расходимости] появляются и в других частных теориях, но во всех случаях они устраняются при помощи так называемой перенормировки. В ее рамках одни бесконечности нейтрализуются введением других. Хотя эта методика может показаться сомнительной с математической точки зрения, она, похоже, работает: перенормировка используется в упомянутых теориях и позволяет получать предсказания, которые с удивительной точностью согласуются с наблюдениями. Но если мы желаем рассматривать перенормировку как инструмент для построения полной единой теории, нам придется признать, что у нее есть серьезный недостаток: реальные значения масс и величин сил нельзя предсказать в рамках теории – их приходится подбирать, исходя из результатов наблюдений.