Читать книгу "Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности - Педро Феррейра"

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.

Первая из трех работ описывала так называемый канонический подход. Именно его ранее предлагали другие физики, в том числе Питер Бергман, Поль Дирак, Чарльз Мизнер и Джон Уиллер. Как и в общей теории относительности, центральную роль играла геометрия. Пространство-время делилось на две отдельные части: пространство и время. Общая теория относительности из теории пространства-времени как целого превращалась теорию развития пространства во времени. Затем Девитт вывел уравнение, позволяющее вычислять вероятности данной геометрии пространства в определенный момент времени, показав таким образом, что в картину можно добавить квантовую физику. Подобно Шрёдингеру, который ввел квантовую физику для обычных систем, Девитт нашел волновую функцию для геометрии пространства.

От канонического подхода Девитт вскоре отказался, но его быстро принял Джон Уиллер. Девитт показал ему свое уравнение, когда они встретились в аэропорту Роли-Дерхем. Как вспоминает Девитт: «Уиллер пришел от него в чрезвычайный восторг и принялся при каждом удобном случае вставлять его в свои лекции». В течение многих лет Девитт будет называть эту формулу уравнением Уиллера, а Уиллер — уравнением Девитта. Все остальные называли ее уравнением Уиллера-Девитта.

Основные же идеи содержались во второй и третьей работах трилогии Девитта. В них намечался альтернативный путь, ковариантный подход. Геометрия при этом полностью исключалась из рассмотрения, а гравитация превращалась в еще одно взаимодействие, передаваемое через частицу-переносчик — гравитон. Именно этот подход, пытающийся повторить успех квантовой электродинамики и стандартной модели, привел к появлению неприятных бесконечностей, после Оксфордского симпозиума по квантовой гравитации в 1974 году резко затормозивших прогресс в данной области.

Канонический и ковариантный подходы воплотили две разные философии и с разных сторон подошли к задаче квантования гравитации. Канонический подход в первую очередь рассматривал геометрию, в то время как в ковариантном подходе во главу угла ставились частицы, поля и унификация. Разница подходов стала причиной серьезных разногласий в физическом сообществе.

Знамя ковариантного подхода в конечном счете было подхвачено радикально новым направлением, получившим название теории струн. Изначально теория струн появилась в конце 1960-х как попытка энтузиастов объяснить поведение целого зоопарка экзотических частиц, обнаруженного во время экспериментов с ускорителем. Основная идея состояла в том, что эти частицы — крошечные точечные объекты — лучше всего описываются в терминах микроскопических вибрирующих фрагментов струн. Частицы разной массы представляют собой не что иное, как вибрации плавающих в пространстве маленьких струн. Хитрость состояла в том, что одна такая струна была в состоянии описать все частицы. Чем больше колебания струны, тем выше ее энергия и тем более тяжелую частицу она описывает. Это тоже было объединение, просто его способ кардинально отличался от всего, что предлагалось раньше.

Идея фундаментальных струн была захватывающей, но несовершенной. Попытки получить с ее помощью любые предсказания приводили к появлению бесконечных значений, которые не допускали перенормирования, выполняемого как в квантовой электродинамике, так и в стандартной модели. Кроме того, новая теория предсказывала существование частицы, которая вела себя в точности как гравитон — его считали ответственным за гравитационные взаимодействия. Гравитон требовался в квантовой теории гравитации, но был совершенно не нужен в задаче, решить которую была призвана теория струн: найти объяснение экзотическим новым частицам, обнаруженным в ускорителях.

Пережив первоначальный всплеск интереса, к середине 1970-х теория струн была предана забвению, будучи отвергнутой большинством ведущих физиков. Один из ее немногочисленных сторонников, лауреат Нобелевской премии Мари Гелл-Ман называл себя «своего рода покровителем теории струн» и «борцом за ее сохранение». Он вспоминает: «В Калехе я создал заповедник для находящихся под угрозой исчезновения теоретиков суперструн, и с 1972-го по 1984 год большая часть работ по теории струн выполнялась именно здесь».

В 1984 году теоретик из заповедника Мари Гелл-Мана Джон Шварц объединился с молодым физиком из Лондона Майклом Грином. Совместно они предположили, что теория струн может оказаться полезной при построении теории квантовой гравитации. Они показали, как в десятимерной вселенной теория струн, удовлетворяющая определенным ограничениям и подчиняющаяся определенной симметрии, может быть связана с квантовой гравитацией. На следующий год группа специалистов по физике частиц и релятивистов, в которую вошли Эдвард Виттен из Принстона, Филипп Канделас из Остина, штат Техас, а также Эндрю Строминжер и Гари Горовиц из Санта-Барбары, пошла еще дальше. Они показали, что если эти шесть дополнительных измерений являются пространством Калаби-Яу, решение уравнений теории струн будет выглядеть в точности как суперсимметричная версия стандартной модели. Отсюда до стандартной модели оставался всего один небольшой шаг.

К концу 1980-х теория струн набрала огромную силу. Казалось, она может принести пользу всем. Математика выглядела новой и увлекательной, почти как неевклидова геометрия для Эйнштейна, когда он с ее помощью пытался понять общую теорию относительности. Математики применяли новейшие инструменты — не только геометрию, но также теорию чисел и топологию, — пытаясь понять, что может дать теория струн.

К концу XX века теория струн набрала обороты, став более увлекательной и последовательной и вместе с тем более сложной и непонятной. В 1995 году на ежегодной конференции по теории струн в Калифорнии Эдвард Виттен объявил, что все возникшие за предыдущее десятилетие модели теории струн на самом деле связаны друг с другом и, по сути, являются различными аспектами единой, более богатой М-теории. Как он выразился: «Буква М может означать Магическая, Мистическая или Мембранная — в зависимости от ваших предпочтений». Эта теория охватывала собой не только струны, но и населяющие многомерную Вселенную многомерные объекты, называемые мембранами, или, коротко, бранами.