Если вселенная едина и гармонична, то граничные условия при возникновении вселенной, элементарные частицы и управляющие ими силы, физические константы – все взаимосвязано и полностью совпадает и подчиняется единому закону, неизбежному, абсолютному и самоочевидному. Достигни мы такого уровня понимания, мы бы действительно открыли теорию всего, абсолютно всего, вероятно, получили бы даже ответ на вопрос, почему вселенная устроена именно таким образом. Проникли бы в “замысел Бога”, как формулирует Хокинг в “Краткой истории времени”, в “Высший замысел”, как он выражается в недавней книге, именно так и озаглавленной.
Перчатка Брошена
А теперь перечислим задачи, стоявшие перед любым кандидатом на теорию всего в 1980 году, когда Хокинг читал вступительную лекцию в качестве Лукасовского профессора. С тех пор – об этом мы еще будем говорить – некоторые требования из этого списка слегка видоизменились. Итак, теория-кандидат должна:
• Объединять частицы и силы.
• Описывать граничные условия вселенной, ее состояние на момент “ноль”, когда все только началось и не прошло еще ни мгновения.
• Быть “ограничительной”, не допускать слишком много вариантов. (Например, она должна точно предсказать количество существующих видов частиц. Если теория допустит существование разных путей развития вселенной, ей придется объяснить, почему в итоге мы получили именно такую вселенную, а не какую-либо иную.)
• Содержать не слишком много произвольных элементов. (Она не должна вынуждать нас чересчур часто обращаться за ответами к вселенной как она есть. Парадокс: сама теория всего может оказаться произвольным элементом. Большинство ученых не рассчитывают, что теория всего разъяснит саму себя: почему она существует и почему именно в таком виде, а также почему существует все то, что она призвана описать. Вряд ли она ответит на вопрос Стивена Хокинга: “Почему вселенная [или в данном случае теория всего] вообще не погнушалась существовать?”
[6])
• Предсказывать вселенную, похожую на ту, что нам известна, или убедительно объяснять, почему мы видим одно, а “на самом деле” тут другое. (Если теория предсказывает скорость света десять километров в час или не допускает существования пингвинов – или пульсаров, – возникает серьезная проблема. Теория всего должна выдержать проверку всем, что мы наблюдаем.)
• Быть простой и в то же время допускать невероятную сложность устройства мира. Принстонский физик Джон Арчибальд Уилер писал:
За этим всем
Скрыт замысел простой.
Он так прекрасен,
Так чист – познав его,
В другом десятилетье или веке,
А может, через десять тысяч лет,
Мы сразу все поймем,
Мы скажем дружно:
Иначе не могло и быть!
Как слепы были мы
Самые мощные теории – такие как теория всемирного тяготения Ньютона или теории относительности Эйнштейна – просты именно в том смысле, о котором пишет Уилер.
Всеохватывающая теория должна каким-то образом примирить общую теорию относительности Эйнштейна (которая объясняет явления гравитации) с квантовой механикой (которую мы успешно применяем, обсуждая остальные три силы). Стивен Хокинг ответил на этот вызов. Проблему мы обозначили, а суть ее вы лучше поймете, когда прочитаете в этой главе о принципе неопределенности в квантовой механике, а далее – об общей теории относительности.
Теории встречаются
Теория относительности Эйнштейна описывает самые крупные объекты во вселенной – звезды, планеты, галактики. Она замечательно объясняет работу гравитации на этом уровне.
Квантовая механика описывает самые малые объекты. В этой теории силы природы предстают в виде сообщений, которыми обмениваются фермионы, частицы материи. И еще в квантовой механике присутствует сводящий с ума принцип неопределенности: мы не можем одновременно с точностью установить позицию частицы и ее количество движения (как она движется). Несмотря на этот изъян, квантовая механика прекрасно справляется со своей задачей – объяснять явления на уровне бесконечно малых.
Объединить две великие теории ХХ века в одну можно было бы, например, объяснив гравитацию – более успешно, чем это удавалось до сих пор – как сообщения, которыми обмениваются фермионы (так мы объясняем остальные три силы). Другой вариант объединения – переосмыслить общую теорию относительности в свете принципа неопределенности.
Объяснить гравитацию как работу частиц-вестников не получается. Если попытаться описать силу, удерживающую нас на Земле, в виде обмена гравитонами (частицами-вестниками гравитации) между частицами вещества нашего тела и частицами вещества, из которого состоит Земля, то вроде бы получается квантово-механическая версия теории всемирного притяжения. Однако этим гравитонам тоже придется обмениваться гравитонами, и математически выйдет довольно неопрятно: мы уходим в бесконечность, в математическую бессмыслицу.
Бесконечность не вмещается в физическую теорию. Когда бесконечность все-таки пролезает в теорию, физики прибегают к “перенормировке”. Ричард Фейнман использовал перенормировку, создавая теорию для объяснения электромагнитных сил, но его это нисколько не радовало. “Словцо-то умное, – писал он, – но уловка безумная”
[8]. Для перенормировки приходится добавлять в уравнения другие бесконечности, а потом сокращать старые и новые. Выглядит сомнительно, хотя на практике вроде бы работает: в результате складываются теории, вполне согласующиеся с практикой.
Перенормировка выручила при создании теории электромагнетизма, но с гравитацией она справиться не помогает. Бесконечности, пролезающие в теорию гравитации, куда упорнее и противнее, чем электромагнетические: раз появившись, они уже не уходят. В ХХ веке большие надежды были связаны с теорией супергравитации, которую Хокинг упоминал в своей Лукасовской лекции, и с теорией суперструн, представляющей основные объекты вселенной в виде не точек-частиц, но скорее струн или струнных петель. В этой книге мы расскажем о еще более многообещающих прорывах последних лет. Но полностью решить проблему так и не удалось.
А что произойдет, если допустить квантовую механику в область крупных объектов, туда, где безраздельно царит сила всемирного притяжения? Что получится, если пересмотреть объяснение гравитации, предлагаемое общей теорией относительности, в свете того, что нам известно о принципе неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно замерить и положение частицы, и ее движение? Хокинг подошел к проблеме именно с этой стороны и получил парадоксальные результаты: черные дыры оказались белыми, а основным граничным условием оказалось отсутствие граничных условий.
