Черные дыры и молодые вселенные - Хокинг Стивен Уильям - Страница 13

В описывающей Вселенную теории должно быть что-то очень четкое. Почему эта теория должна войти в жизнь, в то время как остальные теории существуют лишь в умах их изобретателей? Теория супергравитации с N= 8 имеет несколько заявлений, выделяющих ее из остальных. Похоже, она может оказаться единственной теорией, которая: а) работает в четырех измерениях, б) охватывает гравитацию, в) конечна без каких-либо бесконечных вычитаний.

Я уже указал, что если нам нужна завершенная теория без всяких параметров, третье свойство необходимо. Однако первые два трудно объяснить, не прибегая к человеческому принципу. Похоже, что есть непротиворечивая теория, удовлетворяющая требованиям а) и б), но не охватывающая гравитацию. Однако в такой Вселенной, вероятно, не найдется притягивающих сил, достаточных, чтобы собрать материю в большие массы, что, вероятно, необходимо для развития сложных структур. Вопрос, почему пространство-время должно быть четырехмерным, обычно считается вне компетенции физики. Однако для этого тоже есть хороший аргумент, опирающийся на человеческий принцип. Трех измерений для пространства-времени — то есть двух для пространства и одного для времени — явно не хватает для сложного организма. С другой стороны, если бы пространство имело более трех измерений, орбиты планет вокруг Солнца или электронов вокруг ядра были бы нестабильны и по спирали сходили бы внутрь. Это оставляет возможность для более чем одного измерения времени, но я из тех, кому такую Вселенную вообразить слишком трудно.

Пока что я косвенно допустил, что окончательная теория в принципе может существовать. Но так ли это? Есть по крайней мере три возможности:

1. Может быть единая завершенная теория.

2. Не может быть никакой окончательной теории, но может быть бесконечная последовательность таких теорий, что каждый частный класс наблюдений можно предсказать, взяв из цепи достаточно продвинутую теорию.

3. Не может быть никакой теории. Наблюдения нельзя описать или предсказать дальше определенной точки, за которой они становятся непредсказуемыми.

Третья точка зрения выдвигалась как аргумент против ученых XVII и XVIII веков: как могут они формулировать законы, ограничивающие свободу Бога передумать? Тем не менее они сформулировали, и это сошло им с рук. В нынешние времена возможность 3 мы уничтожили, охватив ее схемой: квантовая механика является ярким примером теории того, чего мы не знаем и не можем предсказать.

Возможность 2 дает нам картину бесконечной последовательности структур все более и более высокой энергии. Как я уже сказал, это представляется маловероятным, так как можно предположить, что на энергии Планка, порядка 1028 эВ, будет предел. Это оставляет нам возможность 1. В данный момент единственным реальным кандидатом является теория супергравитации с N = 8[14]. Может быть, в ближайшие годы будет сделано множество важных расчетов, которые, возможно, покажут несостоятельность этой теории. Если же она выдержит эти проверки, вероятно, пройдет еще несколько лет, прежде чем мы разработаем вычислительные методы, которые позволят нам что-то предсказывать, и прежде чем мы сможем объяснить начальные условия Вселенной так же, как частные физические законы. Это будет основной проблемой для физиков-теоретиков на следующую пару десятилетий. Но чтобы не заканчивать на такой несколько панической ноте, скажу, что им вряд ли понадобится существенно больше времени. Сейчас огромную помощь в исследованиях оказывают компьютеры, но их должен направлять человеческий разум. Однако если экстраполировать скорость их развития в последнее время, может показаться вполне реальным, что в будущем они целиком возьмут на себя теоретическую физику. Так что, возможно, уже виден конец если не теоретической физики, то физиков-теоретиков.

8. Мечта Эйнштейна

В первые годы XX века две новые теории совершенно изменили наше представление о пространстве и времени, да и о самой реальности тоже. Более чем через семьдесят пять лет мы все еще осознаем их смысл и пытаемся обобщить их в единую теорию, которая опишет все во Вселенной. Эти две теории — общая теория относительности и квантовая механика. Общая теория относительности имеет дело с пространством и временем: как они в большом масштабе искривляются и деформируются материей и энергией во Вселенной. Квантовая механика имеет дело с малыми масштабами. Она включает в себя так называемый принцип неопределенности, утверждающий, что одновременно нельзя точно измерить и положение, и скорость частицы, — чем точнее измеряешь одно, тем менее точно измеряешь другое. Всегда есть элемент неопределенности или случайности, и это фундаментальным образом влияет на поведение материи в малом масштабе. Эйнштейн почти единолично создал общую теорию относительности и сыграл важную роль в развитии квантовой механики. Его чувства к последней выражаются фразой «Бог не играет в кости». Но все свидетельствует о том, что Бог — заядлый игрок, и при всякой возможности Он бросает кости.

В данном эссе я попытаюсь изложить основные идеи, стоящие за этими теориями, и объяснить, почему Эйнштейн был так недоволен квантовой механикой. Я также опишу некоторые примечательные моменты, которые, похоже, имеют место при попытках объединить эти две теории. Существует утверждение, что время началось примерно пятнадцать миллиардов лет назад и что когда-то в будущем оно может закончиться. И все же в другом виде времени Вселенная не имеет границ. Она не возникла и не исчезнет. Она просто есть.

Начну с теории относительности. Государственные законы действуют лишь в одной стране, но физические законы одинаковы и в Британии, и в Соединенных Штатах, и в Японии. Они действуют и на Марсе, и в туманности Андромеды. Более того: законы всё те же, с какой бы скоростью мы ни двигались. Законы на сверхскоростном экспрессе или на реактивном самолете такие же, что и для тех, кто стоит на месте. В действительности, конечно, стоящий неподвижно на Земле движется вокруг Солнца со скоростью примерно 18,6 мили (30 км) в секунду. Но все это движение не имеет никакого значения для физических законов — они одни и те же для всех наблюдателей.

Эта независимость от скорости системы впервые была открыта Галилеем, который разработал законы движения таких объектов, как пушечное ядро или планета. Однако когда люди попытались распространить эту независимость от скорости наблюдателя на законы движения света, возникла проблема. В XVIII веке было открыто, что свет распространяется от источника до наблюдателя не мгновенно, он движется с определенной скоростью — около 186 000 миль (300 000 км) в секунду. По относительно чего эта скорость? Казалось, что во всем пространстве должна быть какая-то среда, через которую проходит свет. Эту среду назвали эфиром. Идея заключалась в том, что свет со скоростью 186 ООО миль в секунду распространяется в эфире, и это означало, что наблюдатель, неподвижный относительно эфира, измерит скорость света, равную примерно 186 ООО милям в секунду, а наблюдатель, движущийся в эфире, измерит большую или меньшую скорость. Однако в 1887 году тщательный эксперимент, выполненный Майкельсоном и Морли, показал, что скорость света неизменна. Не важно, с какой скоростью движется наблюдатель, — он всегда измерит скорость света, равную 186 000 милям в секунду.

Как это может быть? Как могут наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, измерять одну и ту же скорость? Ответ один: этого не может быть — если только наши обычные представления о пространстве и времени верны. Однако в своей знаменитой статье, написанной в 1905 году, Эйнштейн указал, что все пресловутые наблюдатели могут измерять одну и ту же скорость света, если отказаться от идеи об универсальном времени. Вместо этого у каждого из них будет свое индивидуальное время, измеренное их часами. Если часы движутся относительно друг друга медленно, время, измеренное разными часами, будет почти точно совпадать, но если они движутся с большой скоростью, время будет существенно отличаться. Такой эффект был действительно замечен путем сравнения часов, помещенных на земле и на авиалайнере, — часы на лайнере несколько отстали по сравнению с неподвижными. Однако для обычных скоростей передвижения разница в ходе часов очень мала. Чтобы добавить к вашей жизни одну секунду, вам придется пролететь вокруг земли 400 миллионов раз, но все эти самолетные завтраки сократят вашу жизнь гораздо значительнее.