Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

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.

Сахаров наряду с Яковом Зельдовичем, Львом Ландау и многими другими входил в группу, собранную Игорем Курчатовым и Лаврентием Берией для работы над советским ядерным проектом. Сын учителя физики, в 1938 году в возрасте семнадцати лет Сахаров поступил в Московский государственный университет, во время войны работал инженером-изобретателем и в 1947 году получил степень кандидата физических наук в области теоретической физики. Как и Зельдович, Сахаров был успешным советским ученым. Бели Ландау спасла смерть Сталина, то Сахаров проработал над ядерным и термоядерным оружием даже дольше Зельдовича, почти двадцать лет.

В отличие от творческого, открытого и полагающегося на интуицию Зельдовича, Сахаров был больше подкован технически и сильнее интересовался абстрактными задачами. Друг о друге эти ученые отзывались с восхищением. Сахаров считал Зельдовича «человеком всесторонних интересов», в то время как Зельдович сделал комплимент уникальному и своеобразному способу решения задач своим коллегой, сказав: «Я не понимаю, как думает Сахаров».

С 1965 года Андрей Сахаров сосредоточился на космологии и гравитации, правда, работая в собственном темпе. Зельдович опубликовал множество работ, нагруженных новыми идеями, количество же публикаций Сахарова было далеко не таким внушительным. Его статей хватило бы разве что на тонкую книжку. Но среди них встречаются настоящие жемчужины, посвященные формированию структуры, происхождению материи и природе пространства-времени. В одной короткой блестящей работе утверждается, что законы, управляющие пространством-временем, — не более чем иллюзия, причиной которой является сложная квантовая природа реальности. С точки зрения Сахарова, вид и поведение пространства-времени во многом напоминают воду, кристаллы и другие сложные системы. И то, что, как нам кажется, мы видим, является не более чем картиной более фундаментальной реальности, нарисованной широкими мазками. Именно квантовые свойства молекул и слабая связь между ними однозначно придают воде вид жидкости, плещущейся вокруг нас и ведущей себя определенным образом. Несмотря на отличие в деталях, широкий взгляд Сахарова достаточно точно предсказал, как в результате прогресса в квантовой гравитации пространство-время будет восприниматься сейчас, почти сорок лет спустя.

Рассматривая теорию Эйнштейна, Сахаров предположил, что геометрия пространства-времени не является фундаментальным свойством, как не являются таковыми вязкость воды или упругость кристаллов. Эти свойства возникают из более базового описания реальности. Аналогичным образом из квантовой природы материи возникает гравитация. Простая трехстраничная работа Сахарова дала удивительный результат. Сделанное им предположение привело к естественному выводу уравнений Эйнштейна. Иными словами, квантовый мир естественным образом вызывал появление геометрии пространства-времени. Смоделированная Сахаровым теория гравитации в чем-то напоминала общую теорию относительности, но приводила к более сложному набору уравнений. Уравнения Эйнштейна сами по себе были настоящей пыткой; смоделированная же Сахаровым гравитация пошла еще дальше. Ее отличия от теории Эйнштейна проявлялись только при сильном искривлении пространства-времени вблизи черных дыр, в очень ранней Вселенной, когда все вокруг было горячим и плотным, или в микроскопическом масштабе, когда на сцену выходила квантовая пена Уиллера. Когда физические законы раздвигаются до границ своей применимости, они перестают работать и становятся частью нового, более обширного набора законов.

Эту работу Андрей Сахаров опубликовал в 1967 году, когда его голова была занята другими вещами. За долгие годы работы над проектом бомбы он получал награды от советского режима. Играя ключевую роль он, как и Зельдович, три раза награждался медалью Героя Социалистического Труда. Но близость к ядерному оружию заставила его остро осознать катастрофические последствия гонки вооружений, в которую были вовлечены Советский Союз и Соединенные Штаты Америки. Все усиливающиеся протесты Сахарова против ядерного оружия привели к тому, что он утратил свой статус. В 1968 году он пошел против режима, опубликовав статью «Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе», в которой недвусмысленно изложил свои возражения против одной из основных оборонных программ Советского Союза — развития противоракетной обороны. Это был конец пребывания Андрея Сахарова в роли идеального советского гражданина. Как ярко выраженный диссидент, он был лишен привилегий и наград, возможности работать над секретными проектами и сослан в Горький. Зельдович неодобрительно относился к так называемой социальной работе Сахарова, говоря своим коллегам, что «такие люди, как Хокинг, посвящают себя науке. Ничто не в силах их отвлечь». Но как писал в своих мемуарах Сахаров, сила его переживаний из-за ситуации в Советском Союзе была столь велика, что «я был просто вынужден говорить, действовать, отложив в сторону все, до определенных пределов даже науку».

Неудачи в научной карьере Сахарова не помешали его гипотезе о том, как кванты могут изменить общую теорию относительности, снова и снова всплывать на поверхность в следующие десятилетия. Его статья предвосхитила шквал квантовых идей, обрушившихся на общую теорию относительности в 1970-е. Некоторые релятивисты считали, что корректировка теории предложенным Сахаровым способом приведет ее в соответствие с квантовыми представлениями и решит проблему с заполняющими ее бесконечностями. Но к концу десятилетия Стивен Вайнберг и Эдвард Виттен доказали, что бесконечности в данном случае являются неустранимыми. Корректировкой теории убрать их было невозможно, требовалось нечто более существенное.

«Супертеории» — теории супергравитации и суперструн — были определенно более основательными и на первый взгляд обещали довольно много в плане преобразования теории Эйнштейна. Фундаментальная идея, лежащая в основе общей теории относительности, не изменилась — центральная роль при понимании гравитации по-прежнему отводилась пространству-времени. Просто это уже не было четырехмерное пространство-время, изначально предполагавшееся Эйнштейном. В девяти- и одиннадцатимерном пространстве-времени супертеорий уравнения выглядели похожим образом, но на практике дополнительные измерения породили область новых фундаментальных частиц и силовых полей, влияющих на наблюдаемый нами четырехмерный мир.

Отдельные одинокие голоса сопротивлялись подобному насилию над общей теорией относительности, но подавляющее большинство считало, что она нуждается в исправлении при попытках ее квантования, в областях высокой плотности или кривизны рядом с сингулярностями, а также при рассмотрении Большого взрыва.

Теория Эйнштейна прекрасно работает, если избегать минного поля квантовой гравитации и не рассматривать Вселенную в начале ее существования, когда она была горячей, плотной и хаотичной. В больших масштабах в астрофизике и космологии общая теория относительности продолжает давать прекрасные результаты.

Если бы астрономия была индустрией, генеральные ассамблеи Международного астрономического союза можно было бы сравнить с мероприятиями, на которых практически каждый пытается что-то продать. На ассамблее 2000 года в Манчестере, в Великобритании тысячи людей собрались порадоваться последним открытиям и рассказать о новых проектах, которыми они собираются заниматься. На заседаниях того года присутствовала великолепная группа космологов, включая меня. Несколько лет назад были оглашены данные о сверхновой, указывающей на ускоряющееся расширение Вселенной. В этом году анонсировались измерения геометрии Вселенной. Наблюдения указывали на простую, но очень странную модель с темной материей и космологической константой. Причин для разногласий и дебатов больше не было — личные предпочтения перестали иметь значение. Это была качественная, убедительная наука, данные радовали ясностью и согласованностью, и казалось, что других вариантов просто не существует.