Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

«Так вот суперсимметрия обеспечила вид связей, которые все жаждали увидеть. Она обеспечила связь между фермионами и бозонами и объяснила, почему бозон Хиггса не тяжелый. Она обеспечила возможность разобраться и с космологической постоянной, но это не сработало, и других хороших идей сейчас нет…»

Он умолкает. И в итоге заключает: «Возможно, все это просто справедливо на высоких энергиях и не применимо для наблюдаемого сегодня».

Некоторое время он задумчиво смотрит мимо меня, в окно. Затем неожиданно спрашивает, не желаю ли я выпить чашку кофе или еще чего-нибудь. Я отказываюсь, и он берет в руки какие-то записи.

Стена огня, навеки

Готовясь к конференции в Мюнхене, Джо составил список математических указаний, говорящих в пользу теории струн. Его список, замечаю я, хорошо соответствует тем аспектам красоты, о которых я уже слышала.

Теория струн, говорит мне Джо, убеждает его прежде всего тем, что справляется с квантованием гравитации, проблемой, для которой известно не много решений. Более того, как только вы проникаетесь идеей струн, у вас остается не так уж много свободы в том, что касается построения теории. Эти две причины, мне кажется, и отражают привлекательность «жесткости», которую также упоминали Нима Аркани-Хамед и Стивен Вайнберг.

Затем Джо отмечает, что другим свойством в защиту теории струн служит ее геометричность (очень важный аспект для Гарретта Лиси), хотя и добавляет, что лично для него это «не играет большой роли».

Следующие два пункта из списка Джо – случаи «связей», как он их называет, или, как выразился философ Давид, «объяснительной развязки». Они придают теории привкус неожиданности, необходимый, чтобы прослыть элегантной. Связи, которые называет Джо, такие: (1) новые открытия, сделанные благодаря калибровочно-гравитационной дуальности («Мы живем в голограмме»), и (2) вклад теории струн в термодинамику черных дыр.

Черные дыры образуются, когда достаточно большое количество вещества коллапсирует под действием гравитационного притяжения своей собственной массы. Если вещество не в состоянии создать достаточное внутреннее давление – к примеру, потому что звезда истощила все свои запасы топлива, – то продолжает коллапсировать, пока не сконцентрируется в точку. Когда вещество достаточно сильно сжато, гравитационное притяжение на поверхности становится столь сильным, что даже свет не может ее покинуть: рождается черная дыра. Граница, за которую свет не в силах вырваться, называется «горизонтом событий». Свет, попавший ровнехонько на горизонт событий, уже не сумеет вырваться и будет описывать круги вокруг черной дыры вечно, а так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не в силах покинуть черную дыру.

Горизонт событий – граница не физическая. Она не состоит из какого-то вещества, ее наличие может быть замечено только с расстояния, а не по мере приближения к ней. Вы можете даже пересечь горизонт событий, совершенно того не заметив, при условии, что черная дыра достаточно большая. А все потому, что в свободном падении мы не испытываем на себе гравитационного притяжения, а только его изменение – приливную силу. А приливная сила связана обратной зависимостью с массой черной дыры: чем крупнее черная дыра, тем слабее приливная сила.

И действительно, если вы падаете в сверхмассивную черную дыру – вроде той, что сидит в центре Млечного Пути, – приливная сила так мала, что вы и не заметите, как пересекаете горизонт событий. Если вы занырнули в черную дыру головой вперед, приливная сила будет растягивать вашу голову чуть больше, чем ноги, так что вас подрастянет. У горизонта событий вытяжение ничтожное. По мере приближения к центру черной дыры растяжение начнет становиться некомфортным, но к тому времени уже поздно будет поворачивать назад. Технический термин для причины вашей смерти будет звучать как «спагеттификация».

Черные дыры были гипотетическими объектами, однако за последние двадцать лет астрономы накопили неопровержимые доказательства[88] их существования, как для черных дыр звездных масс (образующихся из выгоревших коллапсировавших звезд), так и для сверхмассивных черных дыр (от 1 миллиона до 100 миллиардов масс Солнца). Сверхмассивные черные дыры обнаружены в центре большинства галактик, хотя до сих пор точно не известно, как эти черные дыры вырастают до своих размеров. Сверхмассивная черная дыра в нашей родной Галактике называется Стрелец А* (произносится «А со звездочкой»).

Лучшие эмпирические данные, доказывающие существование черных дыр, из имеющихся у нас сегодня связаны с орбитами звезд и облаков газа в окрестностях черных дыр в сочетании с отсутствием излучения, которое должно появляться, когда вещество падает на некую поверхность. Орбиты сообщают нам, какая масса стиснута в наблюдаемой области пространства, а отсутствие излучения говорит о том, что изучаемый объект не может иметь твердой поверхности.

Однако черные дыры зачаровывают не только экспериментаторов, но и теоретиков. Последних больше всего интригуют выводы, следующие из вычислений Стивена Хокинга. В 1974 году Хокинг продемонстрировал: хотя ничто не способно вырваться за горизонт событий, черная дыра все-таки может терять массу, излучая наружу частицы. Частицы так называемого излучения Хокинга порождаются квантовыми флуктуациями материальных полей вблизи горизонта событий. Частицы рождаются парами из энергии гравитационного поля. Время от времени одна частица из пары улетает прочь, тогда как вторая поглощается черной дырой, что суммарно ведет к потере черной дырой ее массы. Это излучение состоит из самых разных частиц и характеризуется температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры, то есть чем меньше черная дыра, тем она горячее, а при испарении черная дыра нагревается.

Подчеркну, что излучение Хокинга вызывается не квантовыми эффектами гравитации, это результат квантовых эффектов вещества в искривленном неквантовом пространстве-времени. Стало быть, при вычислениях использовались только уже хорошо подтвержденные теории.

Почему испарение черных дыр так интригует теоретиков? Да потому, что излучение Хокинга не несет никакой информации (кроме значения самой температуры), оно абсолютно случайно. Однако в квантовой теории информацию нельзя уничтожить. Она может стать настолько лихо перемешанной, что фактически ее невозможно будет восстановить, но принципиально в квантовой теории информация всегда сохраняется[89]. Если вы сожжете книгу, информация, содержавшаяся в ней, только кажется утерянной, а на самом деле просто трансформировалась в дым и пепел. Хотя сожженная книга пользы вам уже не принесет, противоречий с квантовой теорией не возникает. Единственный известный нам процесс, в котором информация действительно уничтожается, – это испарение черных дыр.

Вот и парадокс: мы попробовали объединить гравитацию с квантовой теорией вещества и обнаружили, что результат несовместим с квантовой теорией. Должно существовать разрешение этой проблемы, но какое? Большинство физиков-теоретиков – включая меня – считают, что нам нужна теория квантовой гравитации, чтобы ответить на этот вопрос.

До 2012 года многие специалисты по теории струн думали, что разрешили проблему потери информации с помощью калибровочно-гравитационной дуальности. Согласно этой двойственности, все, что бы ни происходило во время формирования и испарения черной дыры, можно альтернативным образом описать в рамках калибровочной теории. А в калибровочной теории мы знаем, что процесс обратим, а значит, и испарение черной дыры тоже должно быть обратимо. Это не объясняет, каким же образом информация покидает черную дыру, но демонстрирует, что в теории струн проблемы нет. Еще лучше, что с помощью этого метода специалисты по теории струн могут подсчитать, сколько есть способов сделать черную дыру – «микросостояния» черной дыры, – и результат прекрасно согласуется с вычислениями температуры, произведенными Хокингом.

Для специалистов по теории струн все выглядело хорошо. Но затем случилось нечто неожиданное. Вычисления Джо Полчински и его коллег из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре показали: то объяснение, что они считали верным, не может быть верно ¹⁵⁷[90].

Излучение Хокинга – не содержащее информации – согласуется с общей теорией относительности, согласно которой свободно падающий наблюдатель не должен заметить, как пересекает горизонт событий. А Полчински с коллегами показали, что если излучение Хокинга несет-таки информацию, то горизонт событий должен быть окружен частицами, обладающими высокой энергией, которые быстро сжигают все и вся, падающее в черную дыру, – то есть черные дыры были бы окружены своеобразной огненной стеной, «файерволом».

Файервол загнал специалистов по теории струн в безвыходную ситуацию: уничтожить информацию и разрушить квантовую механику – или выпустить информацию из черной дыры и разрушить общую теорию относительности. Для теории, назначение которой – объединить квантовую механику с общей теорией относительности, оба варианта неприемлемы.

За четыре года, прошедших с публикации статьи о файерволе, на нее сослались более пятисот раз, но никакого согласия насчет того, что же делать, достигнуто не было.

Температура черных дыр звездных масс и сверхмассивных черных дыр так мала, что не может быть измерена, – она гораздо ниже и так уже ничтожной температуры реликтового излучения. Черные дыры, за которыми мы сейчас способны наблюдать, прибавляют в массе, заглатывая свое окружение, больше, чем теряют за счет излучения Хокинга. Так что нет ни малейшей возможности экспериментально проверить какие бы то ни было гипотезы относительно испарения черных дыр. Это чисто математическая задача с нулевым риском вступить в конфликт с данными.

Математика против надежды: конкретный пример

Шестое и последнее математическое указание, говорящее в пользу теории струн, из списка Джо – это мультивселенная. Включение мультивселенной в перечень приветствуемых аспектов теории струн далось ему, однако, непросто.

Защитив диссертацию, рассказывает мне Джо, он попытался объяснить значение космологической постоянной – в то время считавшееся равным нулю, – но не мог найти ему объяснения. Затем Стивен Вайнберг предположил, что космологическая постоянная – это случайный параметр, а в таком случае возможно лишь вычислить, какое наиболее вероятное значение мы можем наблюдать.

«Когда Вайнбергу пришел в голову этот аргумент, я ему противился. Я хотел рассчитать значение, не желал, чтобы оно было случайным числом».

Вайнберг не сказал, где существуют все случайные значения космологической постоянной, он просто предположил, что вселенных должно быть много. То еще была довольно туманная мысль, откровенно говоря. Но все изменилось, и не без участия Джо.

Он вспоминает: «Потом мы с [Рафаэлем] Буссо показали, к моему большому огорчению, что теория струн вроде бы обеспечивает ровно тот тип микроскопического закона, который нужен был Вайнбергу». Математика выявила еще одну связь, на этот раз не только неожиданную, но еще и нежеланную.

«Я хотел, чтобы эта связь ушла, но она не уходила, – говорит Джо. – Даже после того, как другие люди начали над ней работать и изучать ее, я хотел, чтобы она ушла. Мне пришлось пойти к психиатру, я не преувеличиваю. Я был так несчастен! Я чувствовал, будто отбирают один из наших последних ключей к разгадке базовой природы фундаментальной физики, потому что значения, которые мы надеялись вычислить, стали случайными».

[88] К этим доказательствам в 2019 году добавилось еще одно: первый «снимок» черной дыры. Участники коллаборации Event Horizon Telescope получили радиоизображение сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики M87. Подробнее см.: https://elementy.ru/novosti_nauki/433463/Chernaya_dyra_galaktiki_M87_portret_v_interere. – Прим. перев.

[89] Вообще ссылаться на «информацию» здесь в некотором смысле неправильно, поскольку проблема никак не связана с тем, что конкретно эта информация означает. Беспокойство доставляет тот факт, что испарение черных дыр принципиально необратимо.

[90] Или показали, что их доказательство зиждется на ненужном скрытом допущении, которое можно отбросить, устранив тем самым всю проблему. См.: Hossenfelder S. 2015. Disentangling the black hole vacuum. Phys. Rev. D. 91: 044015. arXiv:1401.0288.