Педро Феррейра - Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Эта увлеченность радует, хотя порой случаются и курьезы. Мой сын назвал меня безответственным за желание приблизить запуск Большого адронного коллайдера, и в этом мнении он был не одинок. В средствах массовой информации неоднократно повторялось, что теория струн, которая является одним из претендентов на теорию квантовой гравитации, предсказала формирование черной дыры после запуска коллайдера. При столкновении лучей протонов среди множества попадающих на детекторы объектов должны быть микроскопические черные дыры — мини-порталы в другие измерения. Мой сын знал, что черные дыры засасывают всё вокруг себя. Это же известно всем. Так зачем же мне и остальным людям в здравом уме потребовалось создавать такие безумно опасные вещи? Это же глупо.

Один из физиков пытался остановить включение Большого адронного коллайдера через суд. Во время интервью на шоу Джона Стюарта у него спросили про вероятность катастрофы, и он нарочито демонстративно ответил: «Пятьдесят процентов». Суд он проиграл, коллайдер запустили, а мы все еще живы. К сожалению, обнаружить миниатюрные черные дыры не удалось.

На каждой публичной лекции о моей работе мне задают один и тот же вопрос: «Что было до Большого взрыва?». Я прибегаю к различным объяснениям. Один из вариантов ответа: «До Большого взрыва времени не существовало». Моя коллега, Джоселлин Белл Бёрнелл, отвечает в стиле дзен-буддизма: «Это все равно что на Северном полюсе спрашивать, что такое север». Все было бы намного проще, если бы я мог прибегнуть к математике, но в этом случае большая часть аудитории не поймет, о чем речь. Целые десятилетия благодаря теориям сингулярности Стивена Хокинга и Роджера Пенроуза мы верили, что до Большого взрыва ничего не было. Это одна из тех математических истин, появившихся в золотой век общей теории относительности, которые невозможно обойти.

Недавно я обнаружил, что мои ответы на такие вопросы стали более разнообразными, но менее точными. В последние годы благодаря открытиям в области квантовой гравитации и космологии вопрос начального времени стал широко обсуждаться. Когда вы поворачиваете время вспять и делаете Вселенную более плотной, более горячей и более хаотичной, начинают действовать квантовая пена, струны, браны и даже петли. Некоторые считают, что в этот момент пространство-время прекращает свое существование, и разговор о начальной сингулярности перестает иметь смысл.

Так что же происходило до Большого взрыва? Есть версия, что наша Вселенная появилась из пустоты. Пузырь пространства-времени рос и рос, пока не приобрел нынешний вид. Существует много других вселенных, подобных нашей, также появившихся из пустоты. Другая версия родилась из идей теории струн и М-теории, утверждающих, что у Вселенной существует намного больше четырех измерений, а мы живем на трехмерной «бране» в данном пространстве-времени и поворачиваемся вместе с ним. Наше место жительства, то есть наша брана, ощущается как трехмерная вселенная, которая то и дело сталкивается с другой аналогичной браной. В момент столкновения происходит выделение тепла, и наша Вселенная начинает ощущаться, как пережившая горячий Большой взрыв. Вместо сингулярности существует только бесконечная последовательность горячих «больших взрывов», — циклическая Вселенная, которой могли бы гордиться советские ортодоксальные философы, а возможно, и сам Фред Хойл. Создатели этой модели назвали каждый из таких больших взрывов Экпиросисом. Это греческий термин, обозначающий периодическое разрушение Вселенной, за которым обязательно следует возрождение.

Скорее всего, такое количество квантовой гравитации указывает на то, что при взгляде на пространство-время через всевидящий микроскоп оно окажется фрагментированным. Отматывая время к моменту, когда пространство-время еще было сконцентрировано в точке, мы обязательно увидим кусочки, из которых состоит ткань пространства. Известные нам законы физики перестанут работать еще до достижения сингулярности. Адепты теории петлевой квантовой гравитации считают, что существовал момент, когда Вселенная коллапсировала до квантового барьера и магическим образом снова начала расширяться. Она прошла через стадию, которая стала известна как «отскок».

Возможно, не стоило рассматривать эту странную темную эпоху, когда заметную роль начала играть квантовая гравитация, а многочисленные мнения о происходящем привели к не менее многочисленным гипотезам. Возможно, пространство-время является намного более пустым, чем нам казалось до этого, и наша Вселенная — всего лишь одна из множества частей, составляющих мультивселенную. А в этой мультивселенной появляются отдельные вселенные и увеличиваются до космических масштабов, каждая со своей скоростью и своим способом. И проследив за историей нашей Вселенной, мы обнаружим, что она, как прыщик, встроена в намного более протяженное пространство-время, которое существовало вечно. Мультивселенная — это дикий огромный мир в состоянии статического равновесия: в устойчивом состоянии создания и разрушения.

Мультивселенная наряду с так называемым антропным принципом стала одним из любимых решений проблемы, связанной с космологической константой. На волне огромных успехов наблюдательной космологии многие стали считать эту константу существующей в реальной Вселенной, несмотря на то что предсказания квантовой теории дают для нее неприлично большие значения, сильно превосходящие рассчитанные по результатам наблюдений. Физики, занимающиеся теорией струн, утверждают, что невозможность получения в этой теории прогнозов обусловлена ландшафтом вероятных вселенных, каждая из которых обладает собственной симметрией, энергетической шкалой, типами частиц и полей и, что самое важное, собственной космологической постоянной. Реализуемыми являются все вселенные, даже с крайне малым значением этой константы. Антропный принцип, предложенный Робертом Дикке, а затем разработанный Брэндоном Картером, утверждает, что мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель. Мы существуем и разумны, потому что Вселенная обладает корректным набором констант, частиц и шкал энергии (включая и космологическую постоянную), разрешающим наше существование. Есть бесконечное множество возможных вселенных, но существовать мы можем только во вселенных с нужными значениями физических констант. И именно она оказывается единственной Вселенной в мульти-вселенной, доступной для нашего наблюдения.

Некоторые считают, что космология стала настолько насыщенной и сложной, что, возможно, мы достигли границ науки. Одним из скептиков, считающих, что данный подход зашел слишком далеко, является Джордж Эллис. Релятивист, вместе с Хокингом и Пенроузом в конце 1960-х закрепивший существование в космосе сингулярностей, Эллис одним из первых воспользовался Вселенной как огромной лабораторией и полигоном для проверки теории Эйнштейна. «Я не считаю существование этих других вселенных доказанным и не думаю, что его когда-либо удастся доказать, — говорит он. — Довод в пользу мультивселенной является хорошо обоснованным философским предположением, но пока его нельзя проверить, а значит, и нельзя считать полностью научным». Широкий спектр возможностей дает поле для любых предсказаний. Но даже в среде физиков, занимающихся теорией струн, проскальзывают мнения, что дело зашло слишком далеко. Новый подход отказывается от конечной цели современной физики — поиска уникального и простого объяснения всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитационное. Принятие мультивселенной равносильно признанию поражения. Подобным развитием событий недоволен даже отец современной теории струн Эдвард Виттен, который говорит: «Надеюсь, что современные дискуссии в теории струн являются просто отклонениями от правильного направления».

Однако количество сторонников мультивселенной растет. Эта гипотеза решает ряд крупных проблем, например проблемы существования космологической константы и объяснения значений мировых констант. В СМИ на регулярной основе появляются заявления и отчеты о параллельных вселенных и доказательства безграничности и многовариантности пространства-времени. Все это является благодатной почвой для спекуляций и высказывания самых разных версий. Но как считает Эллис, к науке это не имеет отношения.

В 2009 году я посетил Принсипи — заросший пышной зеленью уголок в африканской глуши. Именно отсюда девяносто лет назад Артур Эддингтон писал Фрэнку Дайсону, будущему президенту Королевского астрономического сообщества: «Через облака. Надеюсь». Проведенные Эддингтоном измерения звездного света во время солнечного затмения упрочили положение общей теории относительности Эйнштейна на арене современных теорий. Эта экспедиция превратила Эддингтона и Эйнштейна в суперзвезд международного уровня.