Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава 13.

Показная экстраполяция

Я только что закончил читать лекцию и стоял вместе со слушателями в главном зале Института астрономии Кембриджского университета, попивая дешевое вино из пластикового стаканчика. Мы собирались группами, перемещаясь по залу и пытаясь завязать оживленный разговор. Лекция, которую меня пригласили прочитать, рассказывала об измененной гравитации и описывала класс теорий, предложенных, чтобы избавиться от общей теории относительности при объяснении ряда космологических загадок. Во время лекции никаких сюрпризов не было. В начале лекции я запнулся, опровергая комментарий о темной материи, но благополучно вышел из положения. Никто не говорил, что я не прав, никто не надоедал вопросами, и я собрался отправиться домой в Оксфорд.

Однако ко мне, сверкая глазами и размахивая белым пластиковым стаканчиком как оружием, приблизился директор института Джордж Эфстатиу. «Спасибо, что приехал, — сказал он, — выступление было интересным. Должен сказать, что это была хорошая лекция на реально глупую тему». Я вежливо улыбнулся в ответ на его хлопок по моей спине. С подобной реакцией я сталкивался не в первый раз, так что удивляться не приходилось. Эфстатиу играл важную роль в проработке деталей развития темной материи при формировании крупномасштабной структуры. Кроме того, он одним из первых начал утверждать, что распределение галактик свидетельствует о космологической константе. Быстро поднимающийся по карьерной лестнице Эфстатиу был преуспевающим и уверенным в себе человеком. «Приступив к руководству институтом, я попытался объявить его зоной, свободной от модифицированной гравитации. И в целом, я думаю, у меня это получилось». Он лучезарно улыбался, в то время как люди вокруг нас смотрели в пол. «Какого черта вы над этим работаете?» — спросил он, не ожидая ответа.

За несколько месяцев до этого я принял участие в небольшом семинаре в Королевской обсерватории в Эдинбурге, целиком посвященном альтернативным теориям гравитации. Участники этого мероприятия представляли собой странную смесь астрономов, математиков и физиков. Атмосфера была особой. Каждое выступление завершалось дружными аплодисментами, как в какой-нибудь группе взаимопомощи. В воздухе стоял гул, как будто все доклады являлись откровениями некоего пророческого закона физики, открывающими новые горизонты. Пророками чувствовали себя все. Каждый ощущал себя Эйнштейном. Это чувство локтя напомнило мне мое краткое юношеское увлечение троцкизмом, в период которого я испытал пьянящее чувство товарищества, ведь мы с моими товарищами-агитаторами совершенно одинаково считали окружающий мир продажным в своей основе.

Фанатичный энтузиазм семинара заставил меня ощутить дискомфорт, как от причастности к лжеучению. Аплодисменты после моего собственного доклада вызвали у меня почти физическое ощущение тошноты, и мне пришлось покинуть аудиторию. Я был несправедлив; в аудитории сидели люди, годами работавшие над альтернативными теориями гравитации и боровшиеся против господствующих тенденций, к которым относилась и святая вера в Эйнштейна. Статьи этих ученых регулярно отвергались просто потому, что тема была совершенно не модной. Они привыкли сталкиваться с враждебно настроенной публикой. А на этом семинаре их рвение отыскало, наконец, благодарных слушателей, и они смогли спокойно обсудить интересующую их тему: опровержение общей теории относительности Эйнштейна.

Большинство моих коллег не горят желанием вносить изменения в грандиозные труды Эйнштейна — как говорится, если что-то работает, лучше это не трогать. Особенно это касается тех, кто принимал участие в славном возрождении 1960-х, когда общая теория относительности вышла из темного застойного прошлого, чтобы снова оказаться в центре внимания и превратиться в прекрасное средство для объяснения всего, от смерти звезд до судьбы Вселенной. Это поколение астрофизиков до сих пор ощущает магическую мощь теории Эйнштейна. Уровень лояльности я смог оценить на другой конференции, проводившейся в Королевском астрономическом обществе в 2010 году. В тех же залах, где Эддингтон представлял результаты экспедиции для наблюдения за затмением и клеймил Чандрасекара за предположение о возможности гравитационного коллапса, собранию астрофизиков и астрономов был задан вопрос: кто из них верит в корректность теории Эйнштейна? Поднялось несколько рук. При ближайшем рассмотрении выяснилось, что они принадлежали представителям той группы, которая в 1960-е занималась широким внедрением общей теории относительности. По их мнению, теория была слишком странной и слишком красивой, чтобы вносить в нее какие бы то ни было изменения.

Невозможно отрицать колоссальные успехи общей теории относительности на протяжении XX века, но настало время взглянуть на вещи по-новому. Наука может только выиграть, если признает, что повторяется история с ньютоновской теорией гравитации. Она до сих пор применима и прекрасно работает; она позволяет объяснить движение объектов на нашей планете, движение планет и даже эволюцию галактик. Но в более экстремальных ситуациях она неприменима. При увеличении силы тяжести более полезные и точные прогнозы дает уже общая теория относительности Эйнштейна. И возможно, пришло время сделать следующий шаг и заняться поисками теории, превосходящей общую теорию относительности уже в ее граничных точках.

Проблемы с общей теорией относительности при очень больших или очень малых масштабах, а также для очень сильной или очень слабой силы тяжести могут быть индикаторами ее ограниченной применимости. Невозможность объединения общей теории относительности с квантовой физикой также может указывать на разность в поведении этих теорий в очень маленьком масштабе, в котором мы ищем между ними совпадения. Предсказание общей теории относительности, гласящее, что 96% нашей Вселенной заполнено темной и непонятной материей, может означать только неприменимость нашей теории гравитации. И сейчас, почти через сто лет после оглашения Эйнштейном своего открытия, возможно, имеет смысл пересмотреть границы его применимости.

История полна попыток модифицировать общую теорию относительности. С момента ее первой публикации Эйнштейн ощущал, что работа еще не окончена и теория является частью чего-то большего. Снова и снова он безуспешно пытался вставить общую относительность в свои великие теории объединения. Артур Эддингтон также провел последнее десятилетие своей жизни, пытаясь разработать собственную фундаментальную теорию, магический сплав расчетов, цифр и совпадений, позволяющий объяснить все, от электромагнетизма до пространства-времени. Поиск фундаментальной теории стал для Эддингтона амбициозным начинанием, которое медленно, но верно подрывало его престиж.

Физик из Кембриджа Поль Дирак считал общую теорию относительности Эйнштейна идеальным примером того, какой должна быть теория. В конце жизни он говорил: «Предусмотренная природой красота уравнений вызывает сильную эмоциональную реакцию», а в уравнениях Эйнштейна эта красота была. Еще Дираку не давали покоя наблюдаемые в окружающем мире совпадения численных значений, которые в случае действительно красивых фундаментальных уравнений просто не могли быть реальными совпадениями. В наблюдениях фигурировали кое-какие очень-очень большие числа, которые не могли оказаться случайными. Сравним электрическое взаимодействие между электроном и протоном с гравитационным взаимодействием между ними. Первое во много раз превосходит второе, и множитель в этом выражении содержит тридцать один ноль. Это чрезвычайно большое число, подходящее в качестве характеристики более серьезного параметра, например возраста Вселенной. Герман Вейль и Артур Эддингтон тоже считали, что для совпадения таких огромных чисел должна быть какая-то причина. Поль Дирак сделал шаг вперед, предположив, что сила тяжести, определяемая постоянной Ньютона, должна меняться во времени, что противоречит общей теории относительности.

Свою идею Дирак предложил в конце 1930-х, но никогда ее не развивал. В 1950-е и 1960-е годы Роберт Дикке и один из его принстонских студентов, Карл Вране, совместно с Паскуалем Йорданом из Гамбурга вдохнули в идею Дирака новую жизнь и создали альтернативу теории Эйнштейна. В определенной степени это было идеальное дополнение к общей теории относительности. Как выразился Карл Бранс: «Экспериментаторы, особенно из NASA, радостно восприняли возможность оспорить теорию, которая долгое время не подтверждалась экспериментально». Подобным образом думали далеко не все, и как вспоминает Бранс: «Казалось, с течением времени многие теоретики испытали раздражение от того, что в теорию Эйнштейна вторгается другая область знаний».

После ухода в отставку Поль Дирак перебрался в университет штата Флорида и занялся обдумыванием некоторых своих странных идей. Иногда он признавался своим коллегам, что убежден в наличии лучшего, более естественного способа объяснения гравитации. Но особо о своих экспериментах в этой области он предпочитал не распространяться, боясь, что их могут счесть непредсказуемыми и умозрительными. К этому времени было сделано уже много попыток модифицировать общую теорию относительности, в основном обусловленных проблемами с поиском не содержащей бесконечностей теории квантовой гравитации. Когда дело доходит до квантовой физики, с гравитацией начинают происходить странные вещи, как указал в конце 1960-х советский физик Андрей Сахаров.