Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Чтобы по-настоящему оценить всю шаткость надежд ученых когда-либо найти разгадку происхождения Вселенной, нужно знать, что они возлагают их главным образом на еще не созданную теорию единого поля, которая должна будет объединить в себе теорию относительности и квантовую механику. Они надеются, что эта теория опишет все силы, действующие во Вселенной, с помощью одного компактного математического выражения. При этом теория относительности необходима для описания общей структуры пространства-времени, а квантовая механика — для объяснения поведения субатомных частиц. К сожалению, обе теории явно противоречат друг другу.

Как-то раз физики-теоретики, в очередной раз перебирая умозрительные построения, натолкнулись на очень странный результат, полученный в начале 20-х годов прошлого века польским физиком Теодором Калуцей, преподававшим в то время в Кенигсбергском университете. Профессор Калуца подверг глубокому анализу ряд положений общей теории относительности, и в первую очередь рассмотрел вывод о том, что, являясь физической силой, тяготение, тем не менее, имеет чисто геометрическую природу, являясь искривленностью четырехмерного пространства-времени. Кроме гравитации в то время был известен только один тип силового поля, открытого в свое время Максвеллом, — электромагнитного, и Калуца предположил, что оно также имеет геометрическую природу.

Этот парадоксальный результат очень пригодился при создании теории единого суперполя, все компоненты которого, основываясь на идее Калуцы, можно было бы считать гравитацией в многомерном пространстве-времени. Правда, здесь опять возникает каверзный вопрос: почему мы никак не ощущаем наличие дополнительных пространственных измерений в окружающей физической реальности?

Ответ на данный вопрос пока удается получать только писателям-фантастам, многократно эксплуатирующим идею многомерных миров. Любопытно, что даже поверхностный художественный анализ подобной концепции сразу же приводит к некоторым вполне разумным выводам.

Можно, конечно, придумать Вселенную и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседнего. Многие писатели-фантасты давно уже продуктивно эксплуатируют подобные идеи.

Тут Хокинг вспомнил свою давнюю работу, опубликованную в форме препринта. В ней он рассматривал попадание одного бита информации в черную дыру. При этом площадь ее поверхности возрастает на квадрат планковской длины (около 1,6 × 10–35 метра).

Поначалу факт увеличения черной дыры при падении в нее вещества или энергии показался теоретику не особо интересным. Однако в дальнейшем он обратил внимание на удивительное обстоятельство — в прямой пропорции с попавшей в черную дыру информацией увеличивается именно площадь ее поверхности, а не объем, что в корне отличается от любого другого из известных объектов во Вселенной. В случае большинства известных нам объектов справедливо утверждать, что при «поглощении» одного бита информации объем объекта вырастет на единицу, а площадь его поверхности — всего на долю. Но в случае с черными дырами ситуация обстоит иначе. Как будто эта информация попадает не внутрь компактного объекта, а остается на его поверхности.

Тут Хокинг вспомнил о принципе голографии. Голограмма — это изображение системы, полученное при помощи меньшего количества измерений, способное вместить в себя всю информацию из оригинальной системы. Например, мы живем в трех пространственных измерениях. И когда многочисленные посетители Кембриджа делают селфи со знаменитым физиком, камера смартфона создает двухмерный снимок, но при этом не запечатлевает всю информацию, и когда позже вы рассматриваете изображение, вы не можете, например, увидеть свой затылок, как бы вы ни крутили изображение.

Запись голограммы сохранила бы всю эту информацию. Даже будь она двухмерной, вы все равно смогли бы исследовать ее со всех углов в трех измерениях.

Хокинг предположил, что описание коллапсара как голограммы может решить так называемый информационный парадокс черных дыр. Он включает проблему исчезновения информации из нашего мира после пересечения веществом горизонта событий. Само упоминание здесь эргосферы гравитационных коллапсаров далеко не случайно. Собственно говоря, еще в самом начале поисков подходов к построению «Теории Всего» Хокинг в докладе на одной из конференций по теорфизике сформулировал необычный принцип: чем глубже мы погружаемся в глубины черной дыры, тем ближе оказываемся к единению всех частиц и сил….

С тех пор Хокинг с коллегами перепробовал несколько подходов к исследованию внутреннего пространства коллапсаров и, не достигнув решающих успехов, остановился на применении голографических принципов, таких как AdS/CFT-соответствие.

AdS означает «антидесситоровское пространство» и представляет собой частное решение уравнений теории гравитации Эйнштейна, описывающее абсолютно пустую вселенную с отрицательной кривизной пространства. Это, как однажды пошутил Хокинг, довольно скучная вселенная: в ней нет вещества или энергии, а параллельные линии в итоге расходятся из-за геометрии, лежащей в ее основе. Пусть оно и не описывает Вселенную, в которой мы живем, для начала это уже какая-то вселенная. И у этой модели есть необходимые математические свойства для осуществления связей, необходимых теоретикам.

Другой стороной этого соответствия является система, известная как конформная теория поля (conformal feld theory, CFT). Теоретическая физика не очень аккуратна с теориями полей, писал в своей последней «объединительной» статье Хокинг, — это те самые молоты, при помощи которых ученые забивают множество квантовых гвоздей, используемых для описания трех из четырех сил природы. У электромагнетизма, сильного ядерного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия есть описания в теории поля, которые активно использовались в течение последних 50 лет.

Скажем, вы пытаетесь решить очень сложную задачу вроде квантовой гравитации при помощи теории струн, — рассуждал Хокинг, — которая в свою очередь является попыткой связать все фундаментальные взаимодействия и частицы во Вселенной с точки зрения маленьких вибрирующих струн. На самом деле это настолько сложная задача, что до сих пор никто не нашел ей решения, несмотря на десятилетия попыток. AdS/CFT-соответствие говорит нам, что для того, чтобы избежать невероятной головной боли, можно использовать голографический принцип.

Вместо того чтобы пытаться решить проблему квантовой гравитации в нашей трехмерной Вселенной, AdS/CFT-соответствие позволяет нам переключиться на эквивалентную проблему на границе вселенной, где, скажем, присутствует всего два измерения и отсутствует гравитация. Поскольку именно на границе нет гравитации.