Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг - Страница 17

и максимальным пределом для гравитации на 1028 э В. Было бы наивным предположить, как это делают теории великого объединения, что есть только один или два слоя структуры в этом огромном интервале энергий. Тем не менее имеется почва для оптимизма. В данный момент, по крайней мере, предполагают, что гравитацию можно объединить с другими физическими взаимодействиями только в некоей теории супергравитации. Известно несколько таких теорий. Например, есть так называемая расширенная теория супергравитации с N = 8. Она включает один гравитон, восемь частиц со спином 3/2, называемых гравитино, двадцать семь частиц со спином 1, пятьдесят шесть частиц со спином 1/2 и семьдесят частиц со спином, равным нулю. Эти большие числа говорят сами за себя, и все-таки этого недостаточно, чтобы дать объяснение всем частицам, наблюдаемым в сильных и слабых взаимодействиях. Так, теория N = 8 имеет двадцать семь частиц со спином 1. Этого достаточно, чтобы объяснить существование глюонов, которые осуществляют сильные взаимодействия, и двух из четырех частиц, ответственных за слабые взаимодействия. Еще две частицы остаются необъясненными. Можно предположить, что многие или даже большинство наблюдаемых частиц, таких как глюоны или кварки, не являются элементарными, как это принято считать сейчас; возможно, они являются связанными состояниями других фундаментальных частиц в теории N = 8. Маловероятно, что мы будем иметь достаточно мощные ускорители, чтобы экспериментировать с этими сложными структурами в обозримом будущем (или когда-либо вообще, если учесть современные экономические тенденции). Тем не менее тот факт, что эти связанные состояния вытекают из четко сформулированной теории N = 8, позволяет нам сделать ряд предсказаний, которые можно проверить при энергиях, которые достижимы уже сейчас или которые будут достигнуты в ближайшем будущем. Ситуация здесь напоминает ту, что сложилась в теории Салама – Вайнберга, объединяющей электромагнитные и слабые взаимодействия. Предсказания, сделанные этой теорией для низких энергий, согласуются с наблюдениями, и это послужило основанием для повсеместного принятия данной теории, хотя мы и не достигли еще такой энергии, при которой наступит искомое объединение.

Чтобы претендовать на звание теории, описывающей всю Вселенную, нужно иметь веские основания. Почему именно эта теория получила распространение, в то время как другие теории существуют только в головах своих создателей? Теория супергравитации с N = 8 действительно может считаться особенной, так как содержит следующие, отличающие ее от других, специфические черты:

1) она создана для четырех измерений,

2) она включает в себя гравитацию,

3) она является конечной и не зависит от вычитания бесконечных величин.

Я уже говорил о том, что третье свойство необходимо, если мы хотим построить полную теорию без лишних параметров. Тем не менее сложно обеспечить свойства 1 и 2, не апеллируя к антропному принципу. По-видимому, существует согласованная теория, которая удовлетворяет принципам 1 и 3, но не включает гравитацию. Однако в такой вселенной будет недостаточно сил притяжения, чтобы собрать воедино большие массы материи, необходимые для развития сложных структур. Вопросом, почему пространство-время должно быть четырехмерным, физики обычно не задаются. Но и здесь можно прибегнуть к замечательному антропному принципу. Трехмерного пространства-времени, т. е. двух измерений для пространства и одного для времени, явно недостаточно для любого сложного организма. С другой стороны, если бы у пространства было более трех измерений, то орбиты планет вокруг Солнца или электронов вокруг ядра были бы неустойчивы и имели бы тенденцию к спиральному закручиванию внутрь. Остается еще вероятность, что время может иметь несколько измерений, но я считаю, что вселенную и с одним измерением по времени очень трудно себе представить.

До сих пор я подспудно предполагал, что абсолютная теория существует. Но так ли это? Существуют по крайней мере три возможности.

1. Существует универсальная теория.

2. Не существует универсальной теории, но есть бесконечная последовательность теорий, и каждый отдельный класс наблюдений может быть предсказан при помощи наиболее адекватной теории из этой бесконечной цепочки.

3. Универсальной теории не существует вовсе. В какой-то момент наблюдения становятся полностью случайными и не могут быть ни описаны, ни предсказаны.

Третья точка зрения выдвигалась в качестве аргумента против ученых XVII и XVIII столетий: как смеют они придумывать законы и ограничивать свободу Бога, который волен творить все, что Ему заблагорассудится? Но ученые открывали новые законы, и это сходило им с рук. В наше время третья возможность, по существу, сводится к следующему постулату: квантовая механика – это теория того, чего мы не знаем и что в принципе не можем предсказать.

Вторая возможность подразумевает появление бесконечной последовательности новых структур, возникающих на все более высоких энергиях. Как я уже говорил ранее, это представляется маловероятным, потому что на планковской энергии[29] 1028 э В следует ожидать «обрыва». Таким образом, мы признаем, что первая возможность – наиболее возможная из всех. В настоящий момент единственным кандидатом на звание универсальной является теория супергравитации с N = 8[30]. В ближайшие несколько лет, по-видимому, физики сделают расчеты, должные показать, что теория имеет изъяны. Если она выдержит испытания уравнениями, тогда еще через несколько лет мы сможем придумать такие вычислительные методы, которые позволят нам делать прогнозы и выяснить наконец, какими были начальные условия во Вселенной, и объяснить локальные физические законы. В ближайшие двадцать лет эти проблемы будут занимать умы физиков-теоретиков. Но придется немного сгустить краски: едва ли этот вопрос будет оставаться исключительно в их компетенции дольше. Даже и теперь компьютеры очень облегчают жизнь исследователя, но ими все же управляет человеческий разум. Впрочем, технологии развиваются чрезвычайно быстро, и, заглядывая в будущее, осмелюсь предположить, что машины однажды придут на смену и физику-теоретику. Может быть, он и успеет добиться своего. Но не исключено, что тут же будет сражен наступлением технического прогресса. Как, возможно, и сама теоретическая физика.

Глава восьмая

Мечта Эйнштейна[31]

В начале XX века появились две теории, которые полностью изменили наши представления о пространстве, времени и реальности вообще. Прошло более семидесяти пяти лет, а мы все еще пытаемся понять, к чему в результате пришли, силимся объединить их в единую теорию поля. Речь об общей теории относительности (ОТО) и квантовой механике. ОТО рассматривает пространство и время, их деформацию под действием материи на огромных просторах Вселенной. Квантовая механика, напротив, углубилась в мельчайшие складки мироздания. И здесь мы столкнулись с принципом неопределенности, постулирующим, что нам никогда не удастся с одинаковой точностью измерить положение частицы в пространстве и ее скорость. Чем точнее вы будете измерять одно, тем более размытым получится другое. Всегда есть место случайности, которая фундаментальным