Китти Фергюсон - Стивен Хокинг. Непобедимый разум

Бесконечность не вмещается в физическую теорию. Когда бесконечность все-таки пролезает в теорию, физики прибегают к “перенормировке”. Ричард Фейнман использовал перенормировку, создавая теорию для объяснения электромагнитных сил, но его это нисколько не радовало. “Словцо-то умное, – писал он, – но уловка безумная” [8] Feynman , p. 128. . Для перенормировки приходится добавлять в уравнения другие бесконечности, а потом сокращать старые и новые. Выглядит сомнительно, хотя на практике вроде бы работает: в результате складываются теории, вполне согласующиеся с практикой.

Перенормировка выручила при создании теории электромагнетизма, но с гравитацией она справиться не помогает. Бесконечности, пролезающие в теорию гравитации, куда упорнее и противнее, чем электромагнетические: раз появившись, они уже не уходят. В ХХ веке большие надежды были связаны с теорией супергравитации, которую Хокинг упоминал в своей Лукасовской лекции, и с теорией суперструн, представляющей основные объекты вселенной в виде не точек-частиц, но скорее струн или струнных петель. В этой книге мы расскажем о еще более многообещающих прорывах последних лет. Но полностью решить проблему так и не удалось.

А что произойдет, если допустить квантовую механику в область крупных объектов, туда, где безраздельно царит сила всемирного притяжения? Что получится, если пересмотреть объяснение гравитации, предлагаемое общей теорией относительности, в свете того, что нам известно о принципе неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно замерить и положение частицы, и ее движение? Хокинг подошел к проблеме именно с этой стороны и получил парадоксальные результаты: черные дыры оказались белыми, а основным граничным условием оказалось отсутствие граничных условий.

И раз мы взялись перечислять парадоксы, вот еще один: пустое пространство не пусто. Позднее мы обсудим, как ученые пришли к такому выводу, а пока лишь скажем, что из принципа неопределенности следует: пустое якобы пространство кишит частицами и античастицами. (Полагаю, по научной фантастике всем знакомы понятия материи и антиматерии.)

Общая теория относительности предсказывает искривление пространства-времени в присутствии материи или энергии. Один из примеров такого искривления мы уже приводили: лучи света далеких звезд отклоняются от своего пути, когда проходят мимо массивных объектов вроде Солнца.

Обратите внимание на эти два пункта: 1) “пустое” пространство заполнено частицами и античастицами, а значит, и огромным количеством энергии; 2) присутствие этой энергии вызывает искривление пространства-времени.

Если оба пункта верны, вселенная должна была свернуться в крошечный мячик. Такого не произошло. То есть при одновременном использовании общей теории относительности и квантовой механики их предсказания, по-видимому, оказываются совершенно неправильными. Обе эти теории сами по себе очень удачны, каждая из них стала плодом замечательных научных достижений ХХ века. Они годятся не только для умозрительных построений, но и для решения многих практических задач. И тем не менее в совокупности они порождают бесконечности и бессмыслицу. Теория всего должна каким-то образом извлечь из этой бессмыслицы смысл.

Вообразите себя вновь инопланетянином, незнакомым с нашей вселенной. Теория всего позволит вам предсказывать любые события в ней… так или не так? Понятно, что вы сможете предсказать существование солнц и планет, галактик и черных дыр. Но сможете ли вы предсказать победителя на следующем Дерби? Насколько подробным будет предсказание? Скорее всего, не очень подробным.

Чтобы обработать все данные вселенной, понадобился бы компьютер, во много раз превосходящий мощностью все те, что мы в состоянии хотя бы представить. Хокинг напоминал, что, пусть мы и умеем решать уравнения движения двух тел согласно теории всемирного притяжения, уже уравнение с тремя телами не поддается точному решению – не потому, что для трех тел перестает действовать теория Ньютона, а потому, что слишком усложняются сами вычисления. А в реальной вселенной тел несколько больше трех.

Мы не можем предсказать состояние своего здоровья, хотя и понимаем основные принципы медицины, химии и биологии. И здесь тоже проблема в том, что в реальной системе – даже если это всего-навсего система одного человеческого тела – чересчур много элементов, миллиарды и миллиарды.

Даже создав теорию всего, мы не научимся делать всеохватывающие прогнозы. Даже если основные принципы окажутся простыми и понятными, работают они весьма сложным образом. “Выучишь за минуту, совершенствуешься всю жизнь вселенной”, перефразируя слоган очередной игры. Но эту игру не осилить и за множество жизней вселенной [9] Слоган игры “Отелло”: “Выучишь за минуту, совершенствуешься всю жизнь”. .

Что из этого следует? Теория всего могла бы предсказать, какая лошадь выиграет кубок в следующем году, но ни один компьютер не вместит данные и не осилит вычисления, которые необходимы для такого предсказания. Так, что ли?

Есть и другая проблема. Вернемся вновь к принципу неопределенности в квантовой механике.

В царстве бесконечно малых, на квантовом уровне вселенной, нашу способность предсказывать ограничивает принцип неопределенности.

Подумайте о странных, вечно занятых обитателях квантового мира – фермионах и бозонах. Прямо-таки зоопарк частиц. Среди фермионов значатся электроны, протоны, нейтроны, каждый протон и каждый нейтрон состоит из трех кварков-фермионов. А еще бозоны: фотоны (вестники электромагнитных сил), гравитоны (представители силы всемирного тяготения), глюоны (сильные взаимодействия), W и Z (слабые взаимодействия). Хотелось бы знать, где все эти господа и другие им подобные находятся, куда несутся и с какой скоростью. Возможно ли это установить?

Рис. 2.1. В резерфордовской модели ядра гелия электроны вращались вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь мы знаем, что в силу принципа неопределенности орбиты планет нельзя прочертить так отчетливо, как в этой схеме.

На рисунке 2.1 изображен атом, каким его представил Эрнест Резерфорд в Лаборатории Кавендиша в начале ХХ века. На этом рисунке электроны кружат вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь нам известно, что на квантовом уровне все происходит несколько иначе. Орбиты электронов нельзя представлять себе в виде планетарных орбит. Точнее было бы сказать, что они окружают ядро облаком или ульем. Почему эта картинка размыта?