Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Судя по всему, не только общая теория относительности предсказывает существование сингулярности. Квантовая теория тоже содержит бессмысленное предположение о спонтанном самозарождении чёрных дыр. Единственное различие состоит в том, что планковская длина, несмотря на её крошечные размеры, намного больше нулевой длины сингулярности. Судя по всему, новая теория, которая объединит общую теорию относительности и квантовую теорию, может потребовать внесения фундаментальных изменений и в ту и в другую.

Самый очевидный способ создать новую квантовую теорию гравитации — это исследовать микромир в тех невероятно малых масштабах, в которых теория Эйнштейна перестаёт работать, а время и пространство утрачивают смысл. «В конце концов, всё решают эксперименты, а для того, чтобы их провести, нам нужно изучить мир в пределах планковской длины», — говорит Аркани-Хамед.

Но невероятно малые масштабы означают огромную энергию. Чтобы вы лучше понимали контекст, давайте вспомним, что в Большом адронном коллайдере, построенном неподалёку от Женевы, разогнанные частицы могут сталкиваться с энергией 10 000 гигаэлектрон-вольт. [242] Электронвольт (эВ) — это уровень энергии, приобретаемой электроном после разгона под воздействием 1 вольта. Гигаэлектронвольт (ГэВ) больше его в миллиард раз. В пределах планковской длины энергия будет составлять десять миллиардов миллиардов гигаэлектрон-вольт, то есть окажется в миллион миллиардов раз выше, чем та, которую человечество может получить в БАК. Для того чтобы сгенерировать такую энергию с помощью доступных на сегодняшний день технологий, потребуется кольцо-ускоритель с диаметром, примерно равным 1/10 диаметра Млечного Пути. Возможно, где-то во Вселенной и существует цивилизация, которой удалось превратить 10% соседней галактики в очень большой адронный коллайдер, но это кажется маловероятным.

Итак, шансов на проведение экспериментов в микромире практически нет. Но, так как вся Вселенная когда-то существовала в пределах планковской длины, есть вероятность, что в макромире ещё остались следы того времени. К ним можно отнести, к примеру, распределение галактик. Аркани-Хамед говорит: «Чтобы добраться до планковской длины, мы должны оперировать космическими величинами».

Сотрясения пространства-времени в тот период, когда Вселенная была ещё совсем мала, могли вызвать мощные гравитационные волны. Если астрономы как следует постараются, они смогут заметить следы этих волн в фоновом излучении космоса, остаточном свечении Большого взрыва, которое всё ещё существует вокруг нас. В марте 2014 года учёные заявили, что установка под названием BICEP2, расположенная в Антарктиде, зарегистрировала такой «космический отпечаток пальца». К сожалению, оказалось, что она всего лишь заметила пылевое облако, окутывающее Млечный Путь. [243] Commissariat T. BICEP2 gravitational wave result bites the dust thanks to new Planck data // Physics World. — 22 September 2014 ( https://physicsworld.com/a/bicep2-gravitational-wave-result-bites-the-dust-thanks-to-new-planck-data/ ).

Очевидно, что во Вселенной существуют подсказки, ведущие человечество к новой теории, но они спрятаны так глубоко, что нам придётся приложить все свои силы, чтобы заметить хотя бы тень одной из них. Но надежду терять ещё рано. К подсказкам нас могут отвести умелые проводники: принципы теории относительности и квантовой теории.

Вы только что поднялись на крутую гору. Путь к вершине отнял у вас все силы и энергию. Вы истощены, но счастливы. Остановившись, чтобы передохнуть, вы смотрите на другую гору в той же горной цепи, и у вас перехватывает дыхание. Она выше той, на которую вы забрались, — не в два раза, не в пять и не в десять, а в невозможные миллион миллиардов раз.

Именно так чувствовали себя физики в начале XXI века. Они использовали все свои знания, все разработки науки и техники, чтобы построить возле Женевы Большой адронный коллайдер. С его помощью они обнаружили неуловимый бозон Хиггса, квант хиггсовского поля, который наделяет все прочие частицы массой, и были полны эйфории после этой несомненной удачи. Но теперь перед ними возникла новая вершина — планковская величина, на которой пространство, время и гравитация возникают из чего-то ещё более фундаментального, а природа открывает секрет происхождения Вселенной. Для проведения экспериментов с такими величинами требуется в миллион миллиардов раз больше энергии, чем можно получить в БАК. Одного этого факта достаточно, чтобы заставить серьёзного учёного зарыдать.

Из-за недостижимости планковской длины многие комментаторы мрачно предрекают конец физики или её превращение в научную фантастику. Теперь теоретики могут публиковать любые измышления, ведь никто не сможет провести эксперимент, чтобы опровергнуть их слова.

На самом деле эти заявления далеки от правды. «Мысль о том, что проверить теорию можно лишь экспериментально, совершенно неверна», — говорит Нима Аркани-Хамед.

Существуют два физических принципа, в истинности которых мы уверены, так как они с поразительной точностью предсказывают именно то, что мы наблюдаем в окружающем мире с помощью наблюдений и экспериментов. Это специальная теория относительности и квантовая теория. Ни один физик не может просто взять и придумать теорию на свой вкус, ведь она должна будет отвечать принципам общей теории относительности и квантовой теории. Ограничения, накладываемые на реальность, такие строгие, что подавляющее большинство новых физических теорий постоянно признаются неверными. «Вот почему создать более глубокую и фундаментальную теорию так трудно», — замечает Аркани-Хамед.

«Теории расцветают, как тысячи цветов, но не имеют под собой твёрдой почвы физических принципов, — пишет историк науки Геннадий Горелик из Бостонского университета. — Никогда прежде в истории физики такое множество работ не приносило такого ничтожного результата». [246] Gorelik G. Why Is Quantum Gravity So Hard? And Why Did Stalin Execute the Man Who Pioneered the Subject? // Scientific American. — 14 July 2011. ( https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/why-is-quantum-gravity-so-hard-and-why-did-stalin-execute-the-man-who-pioneered-the-subject/ ).