Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Однако мы не ограничиваемся проведением экспериментов только здесь, на Земле. Вселенная огромна, и в ней нашлось место многим экстремальным явлениям, так что вполне возможно найти место, в условиях которого эффекты квантовой гравитации появляются естественным образом. Уже имеется два таких места, где, как мы уверены, квантовая гравитация существенна: в точке Большого взрыва и внутри черных дыр. Поэтому, чтобы узнать, что происходит при встрече квантовой механики и мощи гравитации, нам, возможно, придется отправиться назад во времени к первым мгновениям Большого взрыва или исследовать внутренности черной дыры.

Черная дыра – это область пространства-времени, которая искривлена настолько, что ничто оттуда не может выбраться, даже свет. Согласно общей теории относительности, в центре черной дыры находится точка времени, называемая сингулярностью, где кривизна пространства становится бесконечной. Однако всякий раз, когда уравнение в физике дает вам ответ, равный бесконечности, на самом деле его стоит понимать как признание собственного бессилия: это математический способ сказать: «Я не знаю». В случае черных дыр общая теория относительности признает, что значение сингулярности можно найти только в другом месте – в квантовой теории гравитации.

Если бы мы могли наблюдать происходящее рядом с этой сингулярностью, это дало бы представление о том, как работает квантовая гравитация. К сожалению, сингулярность находится за горизонтом событий черной дыры, ограничивающим область, которую свет никогда не сможет покинуть. Если мы хотим ее исследовать, то необходимо перепрыгнуть через горизонт событий.

Другая сингулярность сидит в первом мгновении Большого взрыва. Опять же, она говорит нам, что мы просто не знаем, что там произошло. Мы не знаем, началось ли время с Большим взрывом или было что-то до него. Мы даже не знаем, имеет ли смысл понятие времени при Большом взрыве. Для ответа на эти вопросы нам нужна теория квантовой гравитации. Опять же, если бы мы могли увидеть, что происходило вблизи Большого взрыва, то мы бы получили некоторые драгоценные подсказки. Но это слишком трудно. Дело не только в том, что Большой взрыв случился очень давно: быстрое расширение, произошедшее, как считают, в ранней Вселенной и известное как инфляция, могло вымести все эффекты квантовой гравитации на дальний план.

Во всем этом есть что-то заговорщическое. Природа обеспечивает нам защиту от эффектов квантовой гравитации. Ученый Роджер Пенроуз, работающий в области математической физики, сформулировал гипотезу «космической цензуры», которая утверждает, что сингулярности всегда скрыты от наблюдений. Это можно перевести в точное математическое утверждение об уравнениях общей теории относительности. После 50 лет совместных усилий и математиков, и физиков многие думают, что гипотеза верна, но никто не знает, как ее доказать. В математике вещи, которые кажутся правильными, но не поддаются обоснованию, обычно указывают на некий глубинный факт – но мы не знаем, какой глубокий урок мы должны извлечь из космической цензуры.

Имеются и другие вопросы, многие из которых завязаны на черных дырах и для решения которых мы также остро нуждаемся в квантовой теории гравитации. Они коварны, поскольку как общая теория относительности, так и собранная эффективная теория поля, описывающая квантовую гравитацию, дают разумные ответы. Только теперь мы знаем, что эти теории говорят нам неправду.

Например, в 70-е годы XX века Стивен Хокинг (см. рис. 8.1) учил нас, что черные дыры не совсем черные. Как только вы примите во внимание эффекты квантовой механики, они начнут излучать, давая свет и медленно испаряясь, перед тем как в конце концов исчезнуть. Хокинг отметил, что это приводит к парадоксу.

Рис. 8.1. Стивен Хокинг произносит речь «Почему мы должны отправиться в космос» на одной из лекций цикла, посвященного 50-летию NASA . 21 апреля 2008 года.

Дэвид Тонг – профессор теоретической физики Кембриджского университета, работающий над квантовой теорией поля.

«У нас есть фотографии огненного шара, заполнившего Вселенную во время Большого шара. Мы называем его космическим микроволновым, или реликтовым, излучением. Мерцания в этом огненном шаре содержат информацию о том, что произошло в первые доли секунды после Большого взрыва, и возможно, что если мы взглянем достаточно пристально, то увидим некоторую подсказку от квантовой гравитации.

Около десяти лет назад я и несколько моих друзей предложили сценарий произошедшего в самом раннем начале. Мы использовали теорию струн и представления о дополнительных измерениях и бранах, чтобы предложить новый механизм для инфляции – быстрого расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. Наш механизм дал весьма характерный признак мерцания, видимого в огненном шаре Большого взрыва.

Затем, пять лет спустя, спутник Planck сфотографировал этот огненный шар с лучшим за все время разрешением. И нашего предсказанного сигнала там не было. Возможно, сигнал по-прежнему можно будет найти, если посмотреть пристальнее, но пока наша теория в ее самой наивной форме просто неверна. Может показаться странным такое хвастовство с нашей стороны, за исключением того, что наш теоретический сценарий описывал события через 10 –37секунд после Большого взрыва. Поразительно, что мы можем заглянуть так далеко в прошлое и применить научный метод, проверяя, что произошло, а что нет. На самом деле мы можем поставить мировой рекорд по эмпирической ошибочности раньше, чем кто-либо другой. Способность сравнить теорию и эксперимент в таких экстремальных условиях придает мне некоторую надежду, что в конечном итоге мы сможем выяснить, что случилось во время Большого взрыва».

Возьмите книгу и сожгите ее. С практической точки зрения вы потеряли информацию, написанную на страницах, но фактически она по-прежнему закодирована в неуловимых корреляциях молекул воздуха или в мерцании языка пламени. Книга может быть утрачена, но информация, которую она несла, продолжает жить, хотя и в форме, которую трудно расшифровать.

Предположим, однако, что вы берете ту же книгу и выбрасываете ее в черную дыру. Если вы подождете достаточно долго, черная дыра испарится. Хокинг спросил: где информация сейчас? Он показал подробными вычислениями с использованием общей теорией относительности, что она исчезла. Ее нельзя обнаружить в свете, испущенном черной дырой. Но один из фундаментальных принципов квантовой механики гласит, что информация не может быть потеряна. Испарение черных дыр, судя по всему, противоречит квантовой механике. Это явление известно как информационный парадокс.