Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Хокинг

Энергия в 1015 ГэВ находится за пределами возможности лабораторного оборудования; нынешнее поколение ускорителей может произвести энергию центра масс около 10 ГэВ, а следующее поколение сможет произвести примерно 100 ГэВ. Этого хватит, чтобы исследовать энергии, при которых электромагнитные силы, согласно теории Салама – Вайнберга, должны объединяться со слабыми взаимодействиями, но это не та гигантская энергия, когда слабые и электромагнитные взаимодействия должны объединяться с сильными взаимодействиями. Тем не менее «великие обобщенные теории» могут предсказать кое-что, доступное для проверки в лаборатории. Например, эти теории предсказывают, что протон не должен быть совершенно стабилен, а должен распадаться со временем жизни порядка 1031 лет. Нижний предел современных лабораторных исследований времени жизни равен примерно 1030 лет, и должна быть возможность его улучшить.

Другое предположение, которое можно проверить, касается соотношения во Вселенной адронов и фотонов. Для частиц и античастиц должны быть одни и те же физические законы. Точнее, они должны быть теми же самыми, если частицы заменить античастицами, правое заменить левым и скорости всех частиц заменить на обратные. Это известно как теорема CPT, и она является следствием из базового допущения, которое должно содержаться в любой осмысленной теории. И все же Земля, а на самом деле и вся Солнечная система, сделана из протонов и нейтронов, без антипротонов и антинейтронов. В самом деле, такой дисбаланс между частицами и античастицами есть еще одно априорное условие нашего существования, так как, если бы Солнечная система состояла из равной смеси частиц и античастиц, они бы аннигилировали друг с другом и осталось бы одно излучение. Из наблюдаемого отсутствия такого аннигиляционного излучения мы можем заключить, что наша Галактика полностью состоит скорее из частиц, чем из античастиц. У нас нет прямого свидетельства насчет других галактик, но кажется вероятным, что они состоят из частиц и что во Вселенной в целом частицы преобладают над античастицами – примерно в соотношении одна античастица к 108 частиц. Это можно принять в расчет, прибегнув к антропному принципу, но «великие обобщенные теории» действительно дают механизм для объяснения такого дисбаланса. Хотя все взаимодействия, похоже, инвариантны к комбинациям C (замена частиц античастицами), P (зеркальное отражение, левые и правые меняются местами) и Т (изменение направления движения всех частиц на обратное), известны взаимодействия, не инвариантные только к Т. В ранней Вселенной, где существует явно выраженное направление времени, заданное расширением, эти взаимодействия могут порождать больше частиц, чем античастиц. Однако число, которое они дают, очень зависит от модели, так что соответствие с наблюдениями вряд ли можно считать подтверждением «великих обобщенных теорий».

Пока что большинство усилий было направлено на то, чтобы объединить первые три категории физических взаимодействий – сильные и слабые ядерные силы и электромагнетизм. Последней, четвертой, – гравитацией – пренебрегали. Одним из оправданий было то обстоятельство, что гравитация слишком слаба, и потому квантовый гравитационный эффект будет большим только на энергиях частиц выше достижимых на каком-либо ускорителе. Другое оправдание – что гравитация вряд ли ренормализуема: для получения конечного ответа, похоже, придется делать бесконечное число бесконечных вычитаний с соответственно бесконечным числом неопределенных конечных остатков. И все же, если мы хотим получить действительно всеобщую теорию, сюда надо включить и гравитацию. К тому же классическая общая теория относительности говорит, что должны существовать пространственно-временные сингулярности с бесконечно сильным гравитационным полем. Такие сингулярности имели место в начале нынешнего расширения Вселенной (Большой Взрыв) и, видимо, могут проявиться в будущем при гравитационном коллапсе звезд и, возможно, самой Вселенной. Вообще наличие сингулярностей ставит под сомнение классическую теорию. Однако не видно причины, почему она должна оказаться неверной, пока гравитационные поля не усилятся настолько, чтобы квантовый гравитационный эффект оказался существенным. Таким образом, квантовая теория гравитации является неотъемлемой частью общей теории, если мы хотим описать раннюю Вселенную и затем как-то объяснить начальные условия, а не просто прибегать к антропному принципу.

Такая теория также нужна, если мы хотим ответить на вопрос: действительно ли время имеет начало и, возможно, конец, как это предсказывает классическая общая теория относительности, или сингулярности в Большом Взрыве и Большом Сжатии некоторым образом смазываются квантовыми эффектами? Это слишком трудный вопрос, чтобы ответить на него определенно, когда само строение пространства и времени подчиняется принципу неопределенности. Лично я ощущаю, что сингулярности, вероятно, все же существуют, хотя в математическом смысле время можно продолжить за них. Однако всякое время в субъективном понимании, относящееся к сознанию или способности производить измерения, должно когда-нибудь закончиться.

Каковы же перспективы создания квантовой теории гравитации и объединения ее с тремя другими категориями взаимодействий? Вся надежда, пожалуй, в дальнейшем обобщении общей теории относительности, называемом теорией супергравитации. В ней гравитация – частицы со спином 2, несущие гравитационное взаимодействие, – соотносится с другими полями, описываемыми частицами с меньшим спином с помощью так называемых суперсимметричных трансформаций. Основное достоинство этой теории в том, что она уводит нас от старой дихотомии между «материей», представленной частицами с половинными спинами, и «взаимодействиями», представленными частицами с целочисленными спинами. Ее огромным преимуществом является и то, что бесконечности, возникающие в квантовой теории, взаимно уничтожают друг друга. Уничтожаются ли все они, позволяя иметь теории, основанные на конечных величинах, – это пока неизвестно. Есть надежда, что да, так как можно показать, что теории, включающие гравитацию, или конечны, или неренормализуемы, то есть если производить бесконечные вычитания, придется делать бесконечное число их с соответственно бесконечным числом неопределенных остатков. Таким образом, если все бесконечности в супергравитации окажутся взаимно уничтожены, мы могли бы получить теорию, не только полностью объединяющую все материальные частицы и взаимодействия, но и завершенную в том смысле, что она не будет иметь неопределенных по величине параметров ренормализации.

Хотя мы еще не имеем подходящей квантовой теории гравитации, не говоря уж о теории, обобщающей и другие физические взаимодействия, у нас есть идея относительно некоторых особенностей, которые она должна иметь. Одна из них связана с тем фактом, что гравитация влияет на случайные структуры пространства-времени, то есть гравитация определяет, какие события могут случайно связываться с другими. Пример этого в классической общей теории относительности – черные дыры, представляющие собой область пространства-времени, где гравитационное поле так сильно, что свет или другие сигналы затягиваются туда и не могут выскользнуть во внешний мир. Это интенсивное гравитационное поле около черной дыры приводит к возникновению пар частица-античастица, одна из которых падает в черную дыру, а другая улетает в бесконечность. Улетающие частицы словно бы излучаются черной дырой. Удаленный от черной дыры наблюдатель может измерять только вылетающие частицы и не может связывать их с упавшими в черную дыру, потому что не наблюдает их. Это означает, что вылетающие частицы имеют повышенный уровень случайности или непредсказуемости по сравнению с тем, который обычно связан с принципом неопределенности. В нормальных ситуациях принцип неопределенности подразумевает возможность точно предсказать или положение, или скорость частицы, или сочетание положения и скорости. Таким образом, грубо говоря, способность делать определенные утверждения делится пополам. Однако в случае с частицами, вылетевшими из черной дыры, невозможность наблюдать происходящее в черной дыре означает, что нельзя определенно предсказать ни положение, ни скорость вылетающих частиц. Все, что можно сказать, – это вероятности, с которыми частицы вылетают в определенных режимах.