Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Для столь смелого утверждения были веские причины, и основывались они на перспективной разработке новой концепции — суперсимметрии. Концепция подразумевала наличие в природе глубокой симметрии, неразрывно связывающей все частицы и взаимодействия во Вселенной. Предполагалось, что для каждой частицы существует ее обратный близнец: каждому фермиону соответствует бозон, и наоборот. Теория, впервые предложенная в 1976 году, продвинула суперсимметрию на шаг вперед, породив супергравитацию. Когда Хокинг читал свою лекцию, супергравитация казалась решением, которого все ждали: перспективным кандидатом на квантовую теорию гравитации. Но концепция оказалась неудобной. Она увеличивала количество измерений пространства-времени, требуя серьезного усложнения предложенных Эйнштейном уравнений. Любые вычисления занимали месяцы, а результаты были переполнены бесконечностями и частицами, не вписывающимися в общую картину. Хотя небольшая группа энтузиастов продолжала разрабатывать эту концепцию, ее все же перестали считать теорией квантовой гравитации. До предсказанного Хокингом конца теоретической физики было еще далеко.

При всем оптимизме вводной лекции в Кембридже в 1979 году перед Хокингом встала странная проблема, с которой он столкнулся, разрабатывая идею излучения черных дыр. Эта проблема сопровождала все попытки квантования гравитации и в пух и прах разбила один из базовых догматов физики. Хокинг воспользовался встречей в особняке богатого промышленника Вернера Эрхарда, чтобы познакомить с ней группу избранных коллег.

Деньги и славу Эрхард получил, проводя в разных городах Соединенных Штатов курсы самосовершенствования. Он попадал под влияние как ученых мужей, так и религий — от дзен-буддизма до саентологии, имея при этом склонность к физике.

Каждый год он организовывал серию лекций, приглашая к себе знаменитых физиков, например Хокинга и Ричарда Фейнмана. В 1981 году, получив приглашение, Хокинг решил рассказать о странном явлении, которое в 1976-м он описал в статье и которое с того времени не давало ему покоя. На самом деле доклад делал один из молодых аспирантов Хокинга, так как сам он к этому времени уже был лишен способности говорить. Доклад назывался «Исчезновение информации в черной дыре».

Предметом обсуждения стала священная вера физиков в возможность при наличии полной информации о физической системе восстановить ее прошлое. Представьте пролетающий у вас над головой мяч. Зная, как быстро и в каком направлении он перемещается, можно точно определить, откуда он прилетел и мимо каких объектов пролетал в процессе своего движения. Или возьмем контейнер, заполненный молекулами газа. Если удастся измерить положение и скорость каждой молекулы, можно определить местоположение всех частиц в произвольный момент времени в прошлом. Чем ситуации более реалистичны, тем они обычно более сложны. Рассмотрим, к примеру, ноутбук, при помощи которого я писал эту главу. Для точной реконструкции этапов его изготовления мне потребуется много информации об окружающем мире, но в принципе законам физики такая возможность не противоречит. На еще более высоком уровне сложности обладание всей информацией о квантовом состоянии позволяет установить прошлое этого состояния. Фактически это жестко прописано в законах квантовой физики: информация сохраняется всегда. Именно она является основой прогнозирования, поэтому физики крепко держатся за фундаментальное правило, гласящее, что информация никогда не уничтожается.

Это правило соблюдается, но только не для черных дыр. Если вы бросите в черную дыру копию этой книги, книга исчезнет. Масса и площадь поверхности черной дыры слегка увеличатся, а сама дыра будет испускать излучение. В конечном счете она полностью испарится и исчезнет, оставив после себя только лишенное характерных черт излучение. Если бросить в дыру сумку с воздухом, масса которой совпадает с массой книги, произойдет то же самое: площадь поверхности черной дыры увеличится, дыра испустит излучение и в конце концов исчезнет, оставив вам то же самое количество излучения. Результат в обеих ситуациях будет совершенно аналогичным, хотя начинались они по-разному. Более того, нам даже не нужно ждать исчезновения черной дыры. Испуская излучение, дыры будут выглядеть одинаково, не давая возможности определить, что именно послужило начальной точкой — книга или сумка с воздухом. Информация просто исчезнет.

Хокинг констатировал следующий парадокс: если черные дыры существуют, они должны излучать энергию и испаряться, но это означает, что поведение Вселенной не поддается прогнозированию. Поэтому следует отбросить концепцию прямой связи между причиной и следствием, на которой строятся ньютоновская механика, теория относительности Эйнштейна и квантовая физика. Заявление Хокинга возмутило его коллег. Многие попросту отказались признавать существование подобных вещей. Исчезновение информации означает, что как у прогностической науки у физики нет будущего. Спасение виделось в гипотезе о более сложной, чем это изначально казалось, структуре черной дыры, с действующими законами физики микромира, позволяющими как сохранять информацию, так и гарантировать ее высвобождение после исчезновения черной дыры. Точный ответ могла дать только квантовая гравитация.

В 1967 Брайс Девитт разработал два противоположных друг другу манифеста квантования общей теории относительности. Уже достигший сорокалетнего возраста и потративший почти двадцать лет на решение нереально сложной задачи, он выразил суть своей работы в трех рукописях. Они стали известными как «Трилогия» и превратились для многих в сборник догматов квантовой гравитации. Девитт тщательно перечислил все, что было сделано в этой области до него, но его труды заложили основу объединения квантовой физики и общей теории относительности настолько непохожим на других способом, что, по сути, он добавил свою работу к уже существующим достижениям.

Первая из трех работ описывала так называемый канонический подход. Именно его ранее предлагали другие физики, в том числе Питер Бергман, Поль Дирак, Чарльз Мизнер и Джон Уиллер. Как и в общей теории относительности, центральную роль играла геометрия. Пространство-время делилось на две отдельные части: пространство и время. Общая теория относительности из теории пространства-времени как целого превращалась теорию развития пространства во времени. Затем Девитт вывел уравнение, позволяющее вычислять вероятности данной геометрии пространства в определенный момент времени, показав таким образом, что в картину можно добавить квантовую физику. Подобно Шрёдингеру, который ввел квантовую физику для обычных систем, Девитт нашел волновую функцию для геометрии пространства.