Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра

Глава 12.

Конец пространства-времени

Должность Лукасовского профессора математической физики в Кембридже Стивену Хокингу предложили в 1979 году. Одна из самых престижных академических должностей в мире, которую занимали Исаак Ньютон и Пол Дирак, теперь была предложена молодому (не достигшему сорока) релятивисту. Но Хокинг ее заслужил. За почти два десятилетия исследований он внес изрядный вклад в теории, касающиеся рождения Вселенной и физики черных дыр. Его главным достижением, без сомнения, стало доказательство того, что черные дыры излучают энергию, обладают энтропией и температурой и в конечном счете испаряются. Излучение Хокинга застигло мир физики врасплох. Предполагалось, что черные дыры являются исключительно поглощающими объектами с крайне простой структурой. Взяв за основу гипотезу Яакова Бекенштейна, Хокинг показал, что черные дыры должны обладать изрядной энтропией, которая пропорциональна не объему, как в остальных известных нам физических системах, а площади их горизонта событий. При этом всех занимал вопрос о механизме реализации энтропии в черной дыре. По большому счету, все надеялись, что ответ сможет дать теория квантовой гравитации.

Но создавалось впечатление, что поиски квантовой гравитации зашли в тупик. К моменту Оксфордского симпозиума 1975 года, на котором Хокинг объявил об открытии излучения черных дыр, стало очевидно, что общая теория относительности не допускает перенормирования и переполнена бесконечностями, от которых никак не избавиться. Этим общая теория относительности принципиальным образом отличалась от остальных теорий фундаментальных взаимодействий, не позволяя применять общепринятые методы, использовавшиеся при построении стандартной модели частиц и взаимодействий. Следовало предпринять что-то нетривиальное, и у Хокинга с коллегами возникло множество разных идей. К концу 1970-х область квантовой гравитации захлестнул вал новых представлений и методов, в следующие десятилетия ставших причиной глубокого разлада. Противоборствующие лагеря увлеченно цеплялись за собственные правила квантования общей теории относительности, безапелляционно отвергая все прочие варианты. Сообщество работающих в области квантовой гравитации физиков разделилось на враждующие племена, вовлеченные в самую настоящую войну. Тем не менее в этой бурной и беспокойной обстановке родилась общая точка зрения, означающая, что от старого представления пространства-времени в виде сплошной среды следует отказаться, приняв принципиально новый взгляд на реальность.

Стивен Хокинг принадлежал к людям, не боящимся делать смелые и противоречивые заявления, зачастую пророческие, а порой и шутливые. Приняв должность Лукасовского профессора, Хокинг в своей вступительной лекции «Близок ли конец теоретической физики?» высказал мнение о будущем физики. Он провозгласил, что «цель теоретической физики может быть достигнута в не самом отдаленном будущем, например к концу века». С точки зрения Хокинга, объединение законов физики с квантовой теорией гравитации было не за горами.

Для столь смелого утверждения были веские причины, и основывались они на перспективной разработке новой концепции — суперсимметрии. Концепция подразумевала наличие в природе глубокой симметрии, неразрывно связывающей все частицы и взаимодействия во Вселенной. Предполагалось, что для каждой частицы существует ее обратный близнец: каждому фермиону соответствует бозон, и наоборот. Теория, впервые предложенная в 1976 году, продвинула суперсимметрию на шаг вперед, породив супергравитацию. Когда Хокинг читал свою лекцию, супергравитация казалась решением, которого все ждали: перспективным кандидатом на квантовую теорию гравитации. Но концепция оказалась неудобной. Она увеличивала количество измерений пространства-времени, требуя серьезного усложнения предложенных Эйнштейном уравнений. Любые вычисления занимали месяцы, а результаты были переполнены бесконечностями и частицами, не вписывающимися в общую картину. Хотя небольшая группа энтузиастов продолжала разрабатывать эту концепцию, ее все же перестали считать теорией квантовой гравитации. До предсказанного Хокингом конца теоретической физики было еще далеко.

При всем оптимизме вводной лекции в Кембридже в 1979 году перед Хокингом встала странная проблема, с которой он столкнулся, разрабатывая идею излучения черных дыр. Эта проблема сопровождала все попытки квантования гравитации и в пух и прах разбила один из базовых догматов физики. Хокинг воспользовался встречей в особняке богатого промышленника Вернера Эрхарда, чтобы познакомить с ней группу избранных коллег.

Деньги и славу Эрхард получил, проводя в разных городах Соединенных Штатов курсы самосовершенствования. Он попадал под влияние как ученых мужей, так и религий — от дзен-буддизма до саентологии, имея при этом склонность к физике.

Каждый год он организовывал серию лекций, приглашая к себе знаменитых физиков, например Хокинга и Ричарда Фейнмана. В 1981 году, получив приглашение, Хокинг решил рассказать о странном явлении, которое в 1976-м он описал в статье и которое с того времени не давало ему покоя. На самом деле доклад делал один из молодых аспирантов Хокинга, так как сам он к этому времени уже был лишен способности говорить. Доклад назывался «Исчезновение информации в черной дыре».

Предметом обсуждения стала священная вера физиков в возможность при наличии полной информации о физической системе восстановить ее прошлое. Представьте пролетающий у вас над головой мяч. Зная, как быстро и в каком направлении он перемещается, можно точно определить, откуда он прилетел и мимо каких объектов пролетал в процессе своего движения. Или возьмем контейнер, заполненный молекулами газа. Если удастся измерить положение и скорость каждой молекулы, можно определить местоположение всех частиц в произвольный момент времени в прошлом. Чем ситуации более реалистичны, тем они обычно более сложны. Рассмотрим, к примеру, ноутбук, при помощи которого я писал эту главу. Для точной реконструкции этапов его изготовления мне потребуется много информации об окружающем мире, но в принципе законам физики такая возможность не противоречит. На еще более высоком уровне сложности обладание всей информацией о квантовом состоянии позволяет установить прошлое этого состояния. Фактически это жестко прописано в законах квантовой физики: информация сохраняется всегда. Именно она является основой прогнозирования, поэтому физики крепко держатся за фундаментальное правило, гласящее, что информация никогда не уничтожается.

Это правило соблюдается, но только не для черных дыр. Если вы бросите в черную дыру копию этой книги, книга исчезнет. Масса и площадь поверхности черной дыры слегка увеличатся, а сама дыра будет испускать излучение. В конечном счете она полностью испарится и исчезнет, оставив после себя только лишенное характерных черт излучение. Если бросить в дыру сумку с воздухом, масса которой совпадает с массой книги, произойдет то же самое: площадь поверхности черной дыры увеличится, дыра испустит излучение и в конце концов исчезнет, оставив вам то же самое количество излучения. Результат в обеих ситуациях будет совершенно аналогичным, хотя начинались они по-разному. Более того, нам даже не нужно ждать исчезновения черной дыры. Испуская излучение, дыры будут выглядеть одинаково, не давая возможности определить, что именно послужило начальной точкой — книга или сумка с воздухом. Информация просто исчезнет.

Хокинг констатировал следующий парадокс: если черные дыры существуют, они должны излучать энергию и испаряться, но это означает, что поведение Вселенной не поддается прогнозированию. Поэтому следует отбросить концепцию прямой связи между причиной и следствием, на которой строятся ньютоновская механика, теория относительности Эйнштейна и квантовая физика. Заявление Хокинга возмутило его коллег. Многие попросту отказались признавать существование подобных вещей. Исчезновение информации означает, что как у прогностической науки у физики нет будущего. Спасение виделось в гипотезе о более сложной, чем это изначально казалось, структуре черной дыры, с действующими законами физики микромира, позволяющими как сохранять информацию, так и гарантировать ее высвобождение после исчезновения черной дыры. Точный ответ могла дать только квантовая гравитация.

В 1967 Брайс Девитт разработал два противоположных друг другу манифеста квантования общей теории относительности. Уже достигший сорокалетнего возраста и потративший почти двадцать лет на решение нереально сложной задачи, он выразил суть своей работы в трех рукописях. Они стали известными как «Трилогия» и превратились для многих в сборник догматов квантовой гравитации. Девитт тщательно перечислил все, что было сделано в этой области до него, но его труды заложили основу объединения квантовой физики и общей теории относительности настолько непохожим на других способом, что, по сути, он добавил свою работу к уже существующим достижениям.