Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

В 2000 году, прекратив преподавать в Принстоне, Джим Пиблс начал много ходить пешком и фотографировать природу. Он получал удовольствие от красоты, а порой и необычности попадавшихся ему птиц, ведь теперь у него было на это время. Отвлекшись от узоров, вычерчиваемых на небе галактиками, и способов их вращения, он пропадал в окружающей красоте рощ и лесов. Именно наблюдательность и внимание к деталям позволили ему поучаствовать в превращении космологии в точную науку. Еще один аспект общей теории относительности был доработан и получил собственную жизнь. Тихие и настойчивые попытки Пиблса, его «писанина», как он любил выражаться, перенесли проблему изучения крупномасштабной структуры Вселенной в центр физики и астрофизики. Индивидуалист по своей природе, он инициировал движение к странной модели Вселенной, которая стала общепринятой: Вселенной, в которой 96% энергии находится в некоем темном состоянии, эдакой комбинации темной материи и космологической константы. Если вспомнить, с чего он начинал почти пятьдесят лет назад, это был сюрреалистический поворот событий.

Сейчас космологическая константа общепринята. Фундаментальная проблема никуда не делась: гигантское несоответствие предсказания, сделанного Зельдовичем путем сложения энергии всех виртуальных частиц во Вселенной, и реально наблюдаемого значения. Несоответствие составляет более ста порядков. Однако если в прошлом оно мешало космологам даже думать о возможности введения космологической константы, то теперь они ее признали. Она неизбежно присутствовала в данных. В своем учебнике релятивистской астрофизики, написанном в 1967 году, Яков Зельдович и Игорь Новиков писали: «Согласно легенде, после того как джинна выпустили из бутылки, загнать его обратно можно только с большим трудом». В этой аналогии есть истина. Теперь, после общего сдвига в сторону согласованной модели, настала пора всерьез взяться за космологическую константу.

А может быть, и нет. Следующее усилие в попытке снова избавиться от космологической константы породило новый тип сущности, раздвигающей пространство. Это экзотическое новое поле, частица или вещество вело себя очень похоже на космологическую константу, но скоро все начали называть его «темной энергией». Были и до сих пор есть большие надежды на темную энергию и ее возможное применение для связывания успехов наблюдательной космологии с творческим подходом физики частиц и квантовой теории. Молодые и старые космологи в массовом порядке занялись этой темой; на одной конференции докладчик продемонстрировал слайды с более чем ста различными моделями темной энергии — свидетельство творческих способностей нового поколения космологов. Тем не менее даже введение темной энергии не решает поднятую Зельдовичем проблему — слишком большую, чтобы быть приемлемой, энергию вакуума. Здесь снова возобладало стремление сделать вид, что никакого расхождения не существует. Решение этой проблемы могло бы стать причиной революции в квантовой теории гравитации.

Подъем физической космологии в последние сорок лет изменил наш взгляд на пространство-время и Вселенную. Анализируя общую теорию относительности в самом большом масштабе и тщательно изучая крупномасштабные свойства Вселенной, Джим Пиблс и его современники открыли совершенно новое окно в реальность. Наряду с колоссальными успехами в создании карт галактик и реликтового излучения их работы подарили нам странную Вселенную, полную экзотических объектов, природа которых до сих пор практически не изучена. Это совсем не похоже на космологию 1960-х, «крайне скромную» науку, как называл ее Пиблс, всего с тремя учеными. Современная космология явила собой один из самых больших успехов общей теории относительности Эйнштейна и всей современной науки, поднимая по поводу Вселенной множество вопросов и давая на них ответы.

Должность Лукасовского профессора математической физики в Кембридже Стивену Хокингу предложили в 1979 году. Одна из самых престижных академических должностей в мире, которую занимали Исаак Ньютон и Пол Дирак, теперь была предложена молодому (не достигшему сорока) релятивисту. Но Хокинг ее заслужил. За почти два десятилетия исследований он внес изрядный вклад в теории, касающиеся рождения Вселенной и физики черных дыр. Его главным достижением, без сомнения, стало доказательство того, что черные дыры излучают энергию, обладают энтропией и температурой и в конечном счете испаряются. Излучение Хокинга застигло мир физики врасплох. Предполагалось, что черные дыры являются исключительно поглощающими объектами с крайне простой структурой. Взяв за основу гипотезу Яакова Бекенштейна, Хокинг показал, что черные дыры должны обладать изрядной энтропией, которая пропорциональна не объему, как в остальных известных нам физических системах, а площади их горизонта событий. При этом всех занимал вопрос о механизме реализации энтропии в черной дыре. По большому счету, все надеялись, что ответ сможет дать теория квантовой гравитации.

Но создавалось впечатление, что поиски квантовой гравитации зашли в тупик. К моменту Оксфордского симпозиума 1975 года, на котором Хокинг объявил об открытии излучения черных дыр, стало очевидно, что общая теория относительности не допускает перенормирования и переполнена бесконечностями, от которых никак не избавиться. Этим общая теория относительности принципиальным образом отличалась от остальных теорий фундаментальных взаимодействий, не позволяя применять общепринятые методы, использовавшиеся при построении стандартной модели частиц и взаимодействий. Следовало предпринять что-то нетривиальное, и у Хокинга с коллегами возникло множество разных идей. К концу 1970-х область квантовой гравитации захлестнул вал новых представлений и методов, в следующие десятилетия ставших причиной глубокого разлада. Противоборствующие лагеря увлеченно цеплялись за собственные правила квантования общей теории относительности, безапелляционно отвергая все прочие варианты. Сообщество работающих в области квантовой гравитации физиков разделилось на враждующие племена, вовлеченные в самую настоящую войну. Тем не менее в этой бурной и беспокойной обстановке родилась общая точка зрения, означающая, что от старого представления пространства-времени в виде сплошной среды следует отказаться, приняв принципиально новый взгляд на реальность.

Стивен Хокинг принадлежал к людям, не боящимся делать смелые и противоречивые заявления, зачастую пророческие, а порой и шутливые. Приняв должность Лукасовского профессора, Хокинг в своей вступительной лекции «Близок ли конец теоретической физики?» высказал мнение о будущем физики. Он провозгласил, что «цель теоретической физики может быть достигнута в не самом отдаленном будущем, например к концу века». С точки зрения Хокинга, объединение законов физики с квантовой теорией гравитации было не за горами.