Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени

К концу 1920-х гг. в физике возвышались две сравнимые вершины: теория относительности и квантовая теория. Вся сумма человеческих знаний о физической Вселенной укладывалась в две эти теории. Одна из них – теория относительности – рассказывала нам об очень крупных объектах; это была теория Большого взрыва и черных дыр. Другая – квантовая теория – вещала об очень малых объектах и освещала для нас странный мир атома. Хотя квантовая теория строилась на парадоксальных идеях, никто не мог оспаривать ее поразительных экспериментальных успехов. Нобелевские премии сыпались как с куста на молодых физиков, готовых исследовать приложения квантовой теории.

Эйнштейн был слишком опытным физиком, чтобы не обращать внимания на важные открытия, происходившие в квантовой теории чуть ли не ежедневно. Он не оспаривал ее экспериментальных успехов. Квантовая механика была «самой успешной физической теорией нашего времени», признавал он. Кроме того, он не пытался помешать ее развитию, как мог бы поступить физик меньшего масштаба. (В 1929 г. Эйнштейн рекомендовал разделить Нобелевскую премию между Шрёдингером и Гейзенбергом.) Вместо этого он изменил стратегию. Он перестал нападать на квантовую теорию и разоблачать ее как ошибочную. Его новая стратегия состояла в том, чтобы включить квантовую теорию целиком в состав его единой теории поля. Когда армия критиков из лагеря Бора обвинила его в том, что он игнорирует квантовый мир, он в ответ заявил, что преследует космическую по масштабу цель: чтобы его новая теория поглотила квантовую теорию целиком, во всей ее полноте. Эйнштейн привел при этом аналогию из собственного опыта. Теория относительности не доказала, что теория Ньютона полностью неверна; она всего лишь показала, что эта теория неполна и может быть включена в другую, более масштабную теорию. Так, ньютонова механика вполне действенна в своей собственной конкретной области: в царстве малых скоростей и крупных объектов. Аналогично, считал Эйнштейн, и причудливые утверждения квантовой теории о котах, которые одновременно и живы, и мертвы, могут найти объяснение в теории более высокого порядка. В этом отношении легионы биографов Эйнштейна просмотрели самую суть. Целью Эйнштейна было не опровержение квантовой теории, как утверждали многие критики ученого. Его слишком часто изображали этаким последним динозавром классической физики, стареющим бунтарем, превратившимся, неожиданно для себя, в рупор реакции. Подлинной целью Эйнштейна было обнажить неполноту квантовой теории и при помощи единой теории поля сделать ее полной. Более того, одним из критериев проверки единой теории поля было требование, чтобы она при определенных условиях допускала неопределенность в некотором приближении.

Стратегией Эйнштейна было воспользоваться общей теорией относительности и своей единой теорией поля, чтобы объяснить происхождение материи, построить материю из геометрии . В 1935 г. Эйнштейн и Натан Розен исследовали новый способ, посредством которого квантовые частицы, такие как электрон, возникали естественным образом скорее как следствия его теории, чем как фундаментальные объекты. Этим способом он надеялся вывести квантовую теорию, не столкнувшись ни разу с проблемой вероятностей и случайностей. В большинстве теорий элементарные частицы появляются как сингулярности, то есть области, где уравнения не работают. Вспомните, к примеру, уравнения Ньютона, где сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя объектами. Когда это расстояние уменьшается до нуля, сила тяжести уходит в бесконечность, образуя сингулярность. Поскольку Эйнштейн хотел вывести квантовую теорию из более глубокой теории, ему нужна была, как он считал, теория, совершенно свободная от сингулярностей. (Такие примеры есть в простых квантовых теориях. Они называются солитонами и напоминают изгибы пространства; то есть они гладкие, не сингулярные и способны отскакивать друг от друга и при этом сохранять форму.)

Эйнштейн и Розен предложили новаторский метод получения такого решения. Они начали с двух шварцшильдовских черных дыр, определенных на двух параллельных листах бумаги. При помощи ножниц можно вырезать сингулярности той и другой черных дыр, а затем вновь склеить листы. При этом получится гладкое, лишенное сингулярностей решение, которое, по мнению Эйнштейна, может представлять некую элементарную частицу. Таким образом, квантовые частицы можно рассматривать как крохотные черные дыры. (Надо сказать, что эта идея ожила через 60 лет в теории струн, где имеются математические отношения, способные превращать элементарные частицы в черные дыры, и наоборот.)