Глава 12. Конец пространства-времени

Глава 12.

Конец пространства-времени

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.

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.

От канонического подхода Девитт вскоре отказался, но его быстро принял Джон Уиллер. Девитт показал ему свое уравнение, когда они встретились в аэропорту Роли-Дерхем. Как вспоминает Девитт: «Уиллер пришел от него в чрезвычайный восторг и принялся при каждом удобном случае вставлять его в свои лекции». В течение многих лет Девитт будет называть эту формулу уравнением Уиллера, а Уиллер — уравнением Девитта. Все остальные называли ее уравнением Уиллера-Девитта.

Основные же идеи содержались во второй и третьей работах трилогии Девитта. В них намечался альтернативный путь, ковариантный подход. Геометрия при этом полностью исключалась из рассмотрения, а гравитация превращалась в еще одно взаимодействие, передаваемое через частицу-переносчик — гравитон. Именно этот подход, пытающийся повторить успех квантовой электродинамики и стандартной модели, привел к появлению неприятных бесконечностей, после Оксфордского симпозиума по квантовой гравитации в 1974 году резко затормозивших прогресс в данной области.

Канонический и ковариантный подходы воплотили две разные философии и с разных сторон подошли к задаче квантования гравитации. Канонический подход в первую очередь рассматривал геометрию, в то время как в ковариантном подходе во главу угла ставились частицы, поля и унификация. Разница подходов стала причиной серьезных разногласий в физическом сообществе.

Знамя ковариантного подхода в конечном счете было подхвачено радикально новым направлением, получившим название теории струн. Изначально теория струн появилась в конце 1960-х как попытка энтузиастов объяснить поведение целого зоопарка экзотических частиц, обнаруженного во время экспериментов с ускорителем. Основная идея состояла в том, что эти частицы — крошечные точечные объекты — лучше всего описываются в терминах микроскопических вибрирующих фрагментов струн. Частицы разной массы представляют собой не что иное, как вибрации плавающих в пространстве маленьких струн. Хитрость состояла в том, что одна такая струна была в состоянии описать все частицы. Чем больше колебания струны, тем выше ее энергия и тем более тяжелую частицу она описывает. Это тоже было объединение, просто его способ кардинально отличался от всего, что предлагалось раньше.

Идея фундаментальных струн была захватывающей, но несовершенной. Попытки получить с ее помощью любые предсказания приводили к появлению бесконечных значений, которые не допускали перенормирования, выполняемого как в квантовой электродинамике, так и в стандартной модели. Кроме того, новая теория предсказывала существование частицы, которая вела себя в точности как гравитон — его считали ответственным за гравитационные взаимодействия. Гравитон требовался в квантовой теории гравитации, но был совершенно не нужен в задаче, решить которую была призвана теория струн: найти объяснение экзотическим новым частицам, обнаруженным в ускорителях.

Пережив первоначальный всплеск интереса, к середине 1970-х теория струн была предана забвению, будучи отвергнутой большинством ведущих физиков. Один из ее немногочисленных сторонников, лауреат Нобелевской премии Мари Гелл-Ман называл себя «своего рода покровителем теории струн» и «борцом за ее сохранение». Он вспоминает: «В Калехе я создал заповедник для находящихся под угрозой исчезновения теоретиков суперструн, и с 1972-го по 1984 год большая часть работ по теории струн выполнялась именно здесь».

В 1984 году теоретик из заповедника Мари Гелл-Мана Джон Шварц объединился с молодым физиком из Лондона Майклом Грином. Совместно они предположили, что теория струн может оказаться полезной при построении теории квантовой гравитации. Они показали, как в десятимерной вселенной теория струн, удовлетворяющая определенным ограничениям и подчиняющаяся определенной симметрии, может быть связана с квантовой гравитацией. На следующий год группа специалистов по физике частиц и релятивистов, в которую вошли Эдвард Виттен из Принстона, Филипп Канделас из Остина, штат Техас, а также Эндрю Строминжер и Гари Горовиц из Санта-Барбары, пошла еще дальше. Они показали, что если эти шесть дополнительных измерений являются пространством Калаби-Яу, решение уравнений теории струн будет выглядеть в точности как суперсимметричная версия стандартной модели. Отсюда до стандартной модели оставался всего один небольшой шаг.

К концу 1980-х теория струн набрала огромную силу. Казалось, она может принести пользу всем. Математика выглядела новой и увлекательной, почти как неевклидова геометрия для Эйнштейна, когда он с ее помощью пытался понять общую теорию относительности. Математики применяли новейшие инструменты — не только геометрию, но также теорию чисел и топологию, — пытаясь понять, что может дать теория струн.

К концу XX века теория струн набрала обороты, став более увлекательной и последовательной и вместе с тем более сложной и непонятной. В 1995 году на ежегодной конференции по теории струн в Калифорнии Эдвард Виттен объявил, что все возникшие за предыдущее десятилетие модели теории струн на самом деле связаны друг с другом и, по сути, являются различными аспектами единой, более богатой М-теории. Как он выразился: «Буква М может означать Магическая, Мистическая или Мембранная — в зависимости от ваших предпочтений». Эта теория охватывала собой не только струны, но и населяющие многомерную Вселенную многомерные объекты, называемые мембранами, или, коротко, бранами.

Несмотря на эйфорию и гордость, которую теория струн вызывала у своих создателей, она не смогла обойти почти экзистенциальную проблему. Версии теории струн были слишком многочисленными. И даже выбор какой-то одной версии не избавлял от набора вероятных решений, имеющих соответствие в реальном мире. По грубым прикидкам, для каждой версии теории струн может существовать 10 500 решений — не слишком красивая панорама вероятных вселенных, которую стали называть ландшафтом. Однозначные предсказания теория струн делать не умела.

По словам некоторых известных скептиков, теория струн обещала слишком много, а дала слишком мало. «Я считаю всю эту тему с суперструнами полным сумасшествием и движением в неверном направлении, — сказал в интервью незадолго до своей смерти в 1987 году Ричард Фейнман. — Мне не нравится отсутствие каких бы то ни было расчетов. Мне не нравится, что идеи не проверяются. Мне не нравится, что для любых расхождений с экспериментальными данными придумывается какое-то объяснение. Все это выглядит неправильно».

Взглядам Фейнмана вторил Шелдон Глэшоу, вместе со Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом создавший в высшей мере успешную стандартную модель. Он писал, что «физика суперструн пока еще не доказала работоспособности своих теорий. Занимающиеся ею ученые не могут показать, что стандартная теория логически вытекает из теории струн. Они даже не могут быть уверены в том, что в их формализм входит описание таких вещей, как протоны и электроны».

Дэниел Фридан, видный участник первой революции в области теории струн, происходившей в 1980-е, недостатки теории признает. По его словам: «Многолетний кризис теории струн состоит в ее полной неспособности объяснить или предсказать физику любого удаленного процесса. Теория струн не дает конкретных объяснений существующим сведениям о реальном мире и не делает никаких определенных прогнозов. Невозможно оценить, а тем более установить ее надежность. В качестве претендента на физическую теорию теория струн не заслуживает доверия». Однако подобные скептики были в меньшинстве, их голос легко заглушался. Впрочем, физиков 1980-х и 1990-х, стоящих перед необходимостью овладеть квантовой гравитацией, можно простить за мысли о приоритете ковариантного подхода и преимуществах теории струн.

В теории струн была одна вещь, раздражавшая многих релятивистов: в ней, как в любом ковариантном подходе к квантовой гравитации, казалось, исчезала главная и основополагающая вещь — геометрия пространства-времени. Все сводилось к описанию взаимодействия, примерно как в объединившей в себе три вида взаимодействий стандартной модели, а также к способу его квантования. Небольшая группа релятивистов предпочитала двигаться вперед другой дорогой — через принятый Уиллером и отвергнутый Девиттом канонический подход. Он допускал разработку квантовой теории самой геометрии. В середине 1980-х перспективное решение было найдено индийским релятивистом Абэем Аштекаром. Это был преданный своему делу ученый из Сиракьюзского университета. Он нашел гениальный способ переписать уравнения Эйнштейна таким образом, чтобы оттуда исчезла ужасная нелинейность, в результате общая теория относительности приобрела намного более простой вид. Хитрость Аштекара неожиданным образом разблокировала уравнения Эйнштейна и позволила трем молодым релятивистам «поиграть» с их квантовой природой.

Как и Брайс Девитт, Ли Смолин увлекся квантовой гравитацией сразу же после поступления в аспирантуру в Гарварде в 1970-х. Его научный руководитель Сидни Коулмен дал ему возможность с головой погрузиться в эту тему, работая в Брандейском университете со Стенли Дезером. Школярские попытки квантования гравитации с треском провалились, но Смолин сохранил страстное желание решить эту задачу. И только в Йельском университете, будучи уже доцентом кафедры, он обнаружил, насколько хитрость Аштекара облегчила его работу. В Йеле Смолин начал сотрудничать с Теодором Якобсоном, бывшим студентом Сесиль Девитт-Моретт из Техасской релятивистской группы. Смолин и Якобсон обнаружили, что намного проще рассматривать не квантовые свойства геометрии в изолированных точках пространства в зависимости от времени, а набор точек, по сути, исследуя фрагменты пространства в определенные моменты времени. В их случае естественными строительными кирпичиками для квантовой теории стали петли в пространстве, позволяющие находить решения уравнения Уиллера-Девитта. Казалось, все встало на свои места и появился новый способ представления квантовой геометрии. Петли могли связываться друг с другом и переплетаться, образуя подобие кольчуги или другой замысловатой ткани. При этом, как и в случае с тканью, при наблюдении с большого расстояния переплетения нитей исчезают и появляется гладкое искривленное пространство-время из теории Эйнштейна. Подход Смолина и Якобсона был назван петлевой квантовой гравитацией.

К исследованиям Смолина присоединился молодой критически настроенный физик из Италии Карло Ровелли, также делавший первые шаги в нереально сложной алгебре квантовой гравитации. Ровелли нравилось быть бунтарем. В студенческие годы в Риме он создал альтернативную радиостанцию, преследовался властями за свои политические взгляды и чуть не попал в тюрьму за отказ от воинской службы. Ему подходили альтернативные воззрения. Смолин и Ровелли развили петлевой подход, исследовав, каким образом петли могут соединяться друг с другом, переплетаться и завязываться в узел. При этом они двигались от общей геометрии пространства ко все более детальным и фрагментарным представлениям. В середине 1990-х они натолкнулись на старую идею, которую Роджер Пенроуз использовал для описания квантовых систем в терминах простого математического наполнения. Пенроуз называл это спиновой сетью. Напоминающая детский гимнастический снаряд «паутинка», структура представляет собой сеть из связанных друг с другом вершин, каждая из которых обладает определенными квантовыми свойствами. Ровелли и Смолин показали, что такие сети будут наилучшими решениями уравнения Уиллера-Девитта. Но они сильно отличаются от интуитивного представления пространства и времени, с которыми привыкли работать все релятивисты.

Спиновые сети Ровелли и Смолина стали совершенно новым взглядом на квантовую гравитацию. В предложенной ими модели пространства на квантовом уровне не существует — оно, как вода, разбито на атомы или молекулы. На макроскопическом уровне вода выглядит гладкой и однородной, в то время как на самом деле она состоит из молекул, то есть небольших групп протонов, электронов и нейтронов, плавающих в пустом пространстве и слабо связанных друг с другом силой электрического взаимодействия. Совершенно аналогично, согласно воззрениям Ровелли и Смолина, пространство может казаться однородным, но перестает существовать при взгляде на него через мощный микроскоп. В их теории, если взглянуть с расстояния, не превышающего триллионной от триллионной сантиметра, вместо пространства появляется решетка, или сеть.

Теория петлевой квантовой гравитации стала реальным конкурентом теории струн в попытках квантования гравитации. Она и ее производные явились канонической альтернативой ковариантному подходу, выражавшемуся теорией струн. Ее поборники не пытались объединять все взаимодействия, но, взяв в качестве отправной точки геометрию, попытались сохранить красоту изначальной идеи Эйнштейна, выраженную в общей теории относительности. Как ни парадоксально, при этом они отказались рассматривать представления о пространстве-времени как нечто фундаментальное.

На лекции, которую Брайс Девитт читал в 2004 году незадолго до своей смерти, он поражался тому, как сильно изменились представления о квантовой гравитации: «При взгляде на теорию струн поражаешься, насколько сильно за пятьдесят лет поменялись роли. Раньше гравитация считалась безобидным фоном, не имеющим отношения к квантовой теории поля. Сейчас же она играет центральную роль. Ее наличие оправдывает теорию струн! В английском языке есть поговорка: “Нельзя сделать шелковый кошель из свиного уха”. В начале семидесятых теория струн была свиным ухом. Никто не воспринимал ее как фундаментальную теорию… В начале восьмидесятых картина перевернулась с ног на голову. Теория струн внезапно потребовалась для объяснения гравитации и прочих связанных и не связанных с ней вещей. С этой точки зрения она превратилась в шелковый кошель».

Над теорией струн Девитт никогда не работал, но вектор его пристрастий был вполне четким. Канонический подход вызывал у него намного меньший энтузиазм. Он ненавидел уравнение Уиллера-Девитта, к появлению которого в свое время приложил руку. Он считал, что «место этого уравнения на свалке истории», потому что, кроме всего прочего, «оно нарушает сам дух относительности». Фактически, с точки зрения Девитта, «уравнение Уиллера-Девитта было некорректным… Им нельзя пользоваться ни как определением квантовой гравитации, ни как основой для подробного и углубленного анализа». Работу Абэя Аштекара над своим уравнением он назвал «элегантной», но добавил, что «в отрыве от такого без сомнения важного результата, как модель “спиновой пены”, я считаю эту работу неуместной». Неприязнь Девитта была отражением популярного в теоретической физике взгляда: теория струн становилась приоритетной.

Приверженцы теории струн наслаждались, как им казалось, своим успехом. Вернувшийся в Лондон Майкл Дафф объявил: «Мы достигли огромного прогресса как в теории струн, так и в М-теории. И это касается лишь попыток унификации». Многие теоретики были убеждены в скором открытии суперсимметрии и дополнительных измерений, в результате чего теория струн останется единственным возможным подходом. Сам Стивен Хокинг говорил, что «М-теория является единственным кандидатом на роль полной теории Вселенной». На вопрос о конкурирующем каноническом подходе, рассматриваемом многими в качестве законного преемника разработанной Уиллером философии квантования гравитации, Дафф ответил упреком в смешении понятий «квантовой гравитации» и «петлевой квантовой гравитации». И в этом он был не одинок. «Они даже не могут рассчитать поведение гравитона. Как они собираются убедиться в собственной правоте?» — спрашивает убежденный сторонник теории струн Филипп Канделас.

В середине 2000-х глубоко укоренившийся антагонизм между приверженцами различных подходов к проблеме квантовой гравитации вышел наружу. В течение многих лет в блогах и популярных физических журналах появлялись комментарии к статьям известных ученых мужей, ставящие под сомнение господство теории струн в теоретической физике. В 2006 году вышли две книги, утверждающие, что на самом деле теория струн разрушает будущее физики. Их авторы — один из апологетов петлевой квантовой гравитации Ли Смолин и физик Питер Войт из Колумбийского университета — утверждали, что впечатлительных молодых физиков привлекают к работе в области, которая почти за тридцать лет еще не представила осязаемых результатов объединения взаимодействий и объяснения квантовой гравитации. По их мнению, в научных кругах доминировали сторонники теории струн, принимавшие на работу тех, кто разделял их взгляды, и мешавшие продвижению молодежи, не придерживающейся «линии партии». Как в 2005 году писал Смолин: «Многих раздражает то, что данное сообщество, позиционирующее себя как доминирующее — и действительно доминирующее во многих местах Соединенных Штатов, — не заинтересовано в плодотворной работе в других областях. Скажем, на устраиваемые нами конференции по квантовой гравитации мы пытаемся приглашать приверженцев всех основных теорий, в том числе теории струн. И дело не в наших высоких моральных качествах; просто так принято. Но на ежегодной международной конференции по теории струн ничего подобного не происходит». Блогосферу заполнили дебаты, так как взволнованный атаками лагерь сторонников теории струн решил расставить все по своим местам. Заявления, публикуемые на «физических» сайтах, собирали сотни комментариев, представлявших собой смесь технических деталей, умствований и откровенного невежества. Все рвались высказать свое мнение.

Враждебность по отношению к теории струн проявилась в 2011 году, когда Майкл Грин, сменивший Хокинга на должности Лукасовского профессора, решил прочитать в Оксфорде лекцию по этой теме. В 1984-м году именно Грин вместе с Джоном Шварцем дал толчок к развитию теории струн, а в начале 1990-х я присутствовал на его коллоквиуме в Лондоне, прошедшем с огромным успехом. Занимающиеся этой темой теоретики тогда были на коне. На этот раз в Оксфорде царила куда более холодная атмосфера. Большинство вопросов касалось деталей выступления, но проскакивали и откровенно колкие насмешки. Сейчас ни одна публичная лекция по теории струн не обходится без неизбежного вопроса: «Допускает ли эта теория проверку?». И задается он всегда лицами, принадлежащими к лагерю противников теории струн.

Пока еще нельзя сказать, когда же антагонизм между различными группами, работающими над квантовой гравитацией, изживет себя. Некоторое время противники теории струн со своими версиями квантовой гравитации были далеки от процветания, но сейчас, по всей видимости, гонения начались уже и на сторонников этой теории.

Примечательным результатом борьбы стала популяризация квантовой гравитации среди широкой публики. Война между каноническим и ковариантным подходами попала даже в телесериал «Теория большого взрыва». Персонажи разрывают свои отношения, потому что не могут договориться, какому подходу следует учить их детей. Как говорит Лесли Уинкл Леонарду Хофстедеру, выбегая из комнаты: «Это камень преткновения».

Через тридцать лет после того как Стивен Хокинг предсказал конец физики, а затем обрушил на ничего не подозревающий мир парадокс, связанный с исчезновением информации в черных дырах, квантовая теория гравитации так и не появилась, не говоря уже о единой теории фундаментальных взаимодействий. Но несмотря на раздоры при поиске квантовой гравитации, общность взглядов тоже присутствует. Возник новый и практически общепринятый взгляд на природу пространства-времени. Сторонники всех подходов, от теории струн и петлевой квантовой гравитации до более узконаправленных идей квантования общей теории относительности, отказываются от пространства-времени как от фундаментальной сущности. Возможно, это понимание можно напрямую связать с открытым Хокингом излучением черных дыр и оно поможет решить проблему исчезновения информации в черных дырах заодно с проблемой утраченной физикой возможности прогнозирования. Для устранения парадокса Хокинга нужно первым делом понять, каким образом черные дыры хранят поглощенную ими информацию и в каком виде они могут отдавать ее в окружающий мир. Но для этого уже недостаточно построенной на общей теории относительности наивной модели, ограничивающейся только горизонтом событий. Как ни странно, пролить свет на этот вопрос в какой-то степени могут петлевая квантовая гравитация и теория струн совместно с менее распространенными и менее известными подходами к квантовой гравитации.

В петлевой квантовой гравитации пространство-время дробится на мелкие части, причем существует некий минимальный размер, после которого уже не имеет смысла говорить о таких понятиях, как площадь и объем. Ли Смолин, Карло Ровелли и Кирилл Краснов из Ноттингемского университета показали, что эта теория позволяет разделить площадь черной дыры на микроскопические фрагменты, каждый из которых хранит бит информации как экран с цифровыми данными. Энтузиасты петлевой квантовой гравитации утверждают, что сложение этих фрагментов дает корректное значение энтропии черной дыры.

Приверженцы теории струн смотрят на вещи немного под другим углом. Эндрю Строминджер и Камра Вафа из Гарварда показали, что текущее воплощение теории струн — М-теория — также позволяет вывести точное соотношение между энтропией, информацией и площадью черной дыры. Для конкретного типа черной дыры они смогли показать, как объединение определенных типов бран дает возможность сохранить нужное количество информации. Враны предоставляют черной дыре микроструктуру, точно подходящую для разрешения парадокса Хокинга. В более общем виде они считают, что черная дыра представляет собой бурлящую смесь струн и бран, напоминающую запутанный клубок, концы и края которого бьются о горизонт. И эти биты бран и струн, отскакивающие от горизонта событий, могут использоваться для восстановления всей хранящейся в черной дыре информации. И снова сложением цифр получается корректное значение энтропии.

Создается впечатление, что при всем своем отличии и петлевая квантовая гравитация, и теория струн находятся на верном пути к разрешению информационного парадокса. Потому что если горизонт событий и в самом деле хранит информацию, именно она может являться топливом для испускаемого черной дырой излучения Хокинга, которое выводит информацию в окружающий мир по мере того, как сама дыра медленно испаряется. Тогда к завершению этого процесса вся изначально поглощенная информация возвращается и речи о ее потере больше нет.

Приверженцы теории струн весьма смело и настойчиво утверждают, что обнаружили связанное с излучением Хокинга еще более глубокое свойство физических теорий. Черные дыры кажутся странными, так как количество сохраняемой ими информации, хотя и связано с энтропией, является функцией не объема, как наивно можно было бы ожидать, а площади поверхности — впрочем, это еще в середине 1970-х утверждали Бекенштейн и Хокинг. Но в более общем виде это означает, что максимальное количество информации, которое можно сохранить в произвольном объеме пространства, всегда ограниченно. Чтобы найти это максимальное количество, следует взять гипотетическую черную дыру, занимающую в пространстве определенный объем, и посчитать, сколько информации в состоянии сохранить ее поверхность. Таким образом, вместо описания физики фрагмента пространства достаточно определить, что происходит на окружающей это пространство поверхности, — примерно как двумерная голограмма может содержать все данные о трехмерной сцене. Но если подобное верно для фрагмента пространства, оно должно быть верным везде, в том числе для Вселенной как целого. В подобной голографической Вселенной поведение пространства-времени в отдельных точках становится уже неважным.

Это свойство является настолько поразительным, что Эдвард Виттен и ряд его коллег, занимающихся теорией струн, объявили пространство-время «приблизительной, производной классической концепцией», не имеющей смысла на квантовом уровне. Создается впечатление, что при любом подходе к квантовой гравитации на наиболее фундаментальном уровне пространства-времени не существует.

Когда в 1950-х Джон Уиллер со своими студентами начал задумываться о пространстве-времени и квантах, он предположил, что если бы пространство можно было рассмотреть через невероятный сверхмощный микроскоп, оказалось бы, что «локально пространство напоминает пену». Его прозорливости можно только удивляться, но в свете вещей, которые мы только начинаем понимать, даже Уиллер выглядит консерватором. Однако даже пена дает только начальное представление о сложности явления, порождающего пространство-время.

Кажется, пора пересмотреть одну из основных идей, лежащих в основе великой теории Эйнштейна, — само пространство-время. По-видимому, кванты раздвинули общую теорию относительности до границ ее применимости, и следует выработать совершенно новый стиль мышления. Есть и другие намеки на то, что теория Эйнштейна больше не сможет ничего рассказать нам ни о пространстве, ни о времени, ни о Вселенной в целом. Как в свое время отметил Уиллер, именно доведя теорию до границ применимости, мы получаем новые и удивительные результаты. Только при таких условиях рано или поздно проявится нечто большее и лучшее, способное в итоге занять место великого открытия Эйнштейна.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.