«У нас есть фотографии огненного шара, заполнившего Вселенную во время Большого шара. Мы называем его космическим микроволновым, или реликтовым, излучением. Мерцания в этом огненном шаре содержат информацию о том, что произошло в первые доли секунды после Большого взрыва, и возможно, что если мы взглянем достаточно пристально, то увидим некоторую подсказку от квантовой гравитации.
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 10–37 секунд 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».
Парадокс Хокинга
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 1060 раз 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.
Неужели у нас никогда не получится применить квантовую механику к гравитации, потому что Вселенная не работает по одному согласованному набору физических законов?
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.
Переосмысление встречи теории относительности с квантовой физикой
Одни правила работают в масштабах атомов, другие – космоса. Физики уже смогли слить воедино квантовую теорию и специальную теорию относительности, и теперь они надеются создать теорию всего, которая сможет продемонстрировать, как устроена вся Вселенная на фундаментальном уровне.
Пока что внимание было сосредоточено на происходящем в условиях высоких энергий, существовавших в первые моменты Большого взрыва, где обе теории должны предлагать ответы. Проблема заключается в том, что экспериментировать с подобными теориями невероятно сложно. Для этого необходимо построить ускоритель размером с Солнечную систему, говорит Роджер Пенроуз из Оксфордского университета.
Но вполне вероятно, что квантовый мир имеет больше общего с теорией относительности, чем мы думаем. Согласно Пенроузу, мы десятилетиями проводили эксперименты, объединяющие квантовую теорию и гравитацию, а с небольшими доработками они смогут предложить другой путь к открытиям, к которым мы стремимся.
До сих пор взаимное влияние некоторых странностей физики друг на друга в основном игнорировалось. Возьмем хотя бы тот факт, что атомы и маленькие молекулы могут существовать в двух местах одновременно и находиться в состоянии, известном как суперпозиция (см. главу 2). Общая теория относительности утверждает, что масса искажает пространство и время. Получается, что в состоянии суперпозиции масса атома создает два отдельных искажения в пространстве-времени, действуя таким образом на себя силой тяжести (см. рис. 8.2)? В более фундаментальном плане это вызывает сомнения, что теория относительности в принципе допускает появление суперпозиции. Причина, по которой квантовая реальность так отличается от нашего повседневного опыта, может быть прямо у нас под носом.
