Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Умопомрачительно сложная математика теории струн замещается набором просто безумно сложных уравнений теории поля. Далее появляется возможность решить свои задачи без того, чтобы в них вмешивалась гравитация, и перенести полученный результат в нормальную трехмерную Вселенную и сделать предсказания.

Звучит все это, как чудесная идея: обмануть природу, обойдя гравитационные махинации. Более того, это может оказаться замечательным способом «решить» квантовую гравитацию. Однако тут есть несколько моментов, добавляет Хокинг. Во-первых, вы не живете во вселенной с антидесситоровским пространством. Наша Вселенная полна вещества, излучения и темной энергии и обладает практически идеальной плоской геометрией. Существует ли похожее соответствие, которое работает в нашей реальной Вселенной? Возможно, и теоретики усердно трудятся над ее поисками.

Во-вторых, «граница», о которой говорится в AdS/CFT-соответствии, — это космологический горизонт, граница того, что мы можем видеть в нашей наблюдаемой Вселенной. И все бы ничего, но мы живем в динамическом пространстве-времени с постоянно расширяющимся пространством, где граница постоянно смещается. Современные теории пока не очень хорошо справляются с этим моментом.

И в-третьих, когда вы переходите от полностью описанной антидеситтеровской вселенной к более простой пограничной модели, к которой применима конформная теория поля, новые наборы уравнений разрешимы только в принципе. И они вполне могут оставаться такими же невероятно сложными для решения. Так что, если вы срезали угол и обошли гравитацию, это не означает, что вы уже со всем разобрались. А иначе теоретики, работающие в этой области, давно бы уже нашли единое решение проблемы.

Итак, живем ли мы в голограмме? Даже если связь AdS/CFT-соответствия окажется плодотворной для работы с квантовой гравитацией и если ученые смогут найти способ обойти сложности и сделают эту технику соответствующей Вселенной, в которой мы живем, это не будет значить, что мы обитаем в голограмме. Другими словами, если AdS/CFT-соответствие предоставляет удобный способ решения проблем с гравитацией, это вовсе не означает, что наша Вселенная с гравитацией и тремя пространственными измерениями — иллюзия, и мы на самом деле живем на двухмерной границе без гравитации.

Математические аппараты, насколько бы полезными они ни были, не обязательно точно диктуют то, как нам следует воспринимать фундаментальную природу реальности. Если голографические принципы полезны для решения задач, это не означает, что мы живем в голограмме. И даже если бы мы действительно жили в голограмме, мы все равно вряд ли смогли бы заметить разницу.

Вспомним, как поразительно законы всемирного тяготения Ньютона и Кулона повторяют одну и ту же математическую форму. Различаются они лишь тем, что в закон Кулона входят электрические заряды тел, а в закон Ньютона — их массы, так что получается, что наряду с электрическими зарядами тела как бы имеют своеобразные гравитационные заряды, в точности равные их массам.

Это совершенно удивительный факт окружающей нас природы, и тут сам собой напрашивается вопрос: насколько случайны эти замечательные совпадения и не скрыта ли здесь какая-то новая фундаментальная физическая закономерность? С помощью закона всемирного тяготения можно предсказать (и этим широко пользуются астрономы) на десятки лет вперед точно, день в день, появление комет, траектории планет и многочисленных искусственных спутников.

Вернемся теперь к теории гравитации Эйнштейна, гласящей, что вблизи любого материального тела (физики обычно обобщают — гравитирующей массы) или энергии, которая в этом случае эквивалентна массе, искривляется само пространственно-временное многообразие Минковского. Естественно, что при этом изменяются траектории частиц, движущихся в гравитационном поле. Соответственно, пустое пространство-время является абсолютно ровным и гладким, представляя собой идеальную сцену для выступления вещества и энергии во вселенском спектакле. Проблема только в том, что на все роли в потоке бесчисленных теорфизических сценариев у Природы может не хватить ролей….

Поэтому Эйнштейн при создании общей теории относительности и предположил, что равенство массы и гипотетического гравитационного заряда абсолютно точно выполняется для любых видов материальных тел. При этом он считал, что, в отличие от электрических зарядов, их гравитационные аналоги имеют только один знак, определяя этим лишь единственное направление действующих между ними сил, направленных только на сближение тел.

Мы уже знаем, что в конце прошлого столетия независимо был заложен фундамент двух наиболее популярных конкурирующих направлений в теории квантовой гравитации — петлевой квантовой гравитации и теории струн. Для построения ПКГ важную роль сыграли новые оригинальные формы теории относительности, позволившие существенно сблизить между собой физико-математические языки, на которых рассматриваются неевклидово пространство-время и квантовый микромир.

Тут надо заметить, что в большинстве случаев противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой не составляют особой проблемы, поскольку квантовые и гравитационные эффекты исчезающе малы относительно друг друга, так что в практических расчетах ими вполне можно было бы пренебречь. Однако в сильно искривленном пространстве-времени квантовые свойства гравитации могут быть довольно существенными.

Один из вариантов «закрученного (или скрученного) пространства Хокинг успел рассмотреть в последние дни жизни совместно с профессором физики из Университета Огайо Самиром Матуром. Там он соглашался с гипотезой существования некоего щита вокруг черных дыр, который уничтожает любую материю. Но также он обнаружил «лазейку» в этой теории, которая позволяет предположить, что наша Вселенная вполне может находиться внутри такой черной дыры.

Более десятилетия назад Хокинг использовал теорию струн, объясняя, что черные дыры являются своеобразным клубком из них. Однако в ходе изучения этой теории физики пришли к выводу, что поверхность этого «клубка» способна испепелить все живое и неживое, что ее касается, — это и есть «огненная стена», или «файервол». И в своем последнем исследовании Хокинг пришел к выводу, что черные дыры — это не убийцы, а, скорее, некий аналог копировальной машины.

Согласно этой гипотезе Хокинга объект, который касается «файервола», становится не совсем совершенной собственной копией и продолжает существовать в виде голограммы по ту сторону горизонта событий. Эту теорию Хокинг и Матур подтвердили математическими расчетами, которые фактически развивают распространенную в физике теорию взаимодополняемости, добавив к ней идею «несовершенства копий».