Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Следующие поколения физиков удостоились чести, а может быть – взяли на себя бремя поисков согласования двух великих теорий. Конечной целью является «теория всего», объясняющая все физические явления. В природе имеется четыре фундаментальные силы. Две действуют на субатомном уровне: сильное и слабое ядерные взаимодействия. Другие две – на очень больших расстояниях: электромагнетизм и гравитация. Физики частично сумели объединить эти силы во второй половине XX в. Эксперименты на ускорителях в 1970-е гг. показали, что электромагнетизм и слабое взаимодействие, обусловливающее радиоактивность, являются проявлениями одной электрослабой силы. Благодаря дополнительным экспериментам почти удалось увязать с остальным и сильное ядерное взаимодействие. Эта конструкция называется Стандартной моделью физики частиц[260]. Однако гравитация упрямо сопротивляется включению в эту модель. Никто никогда не видел гравитон – гипотетической частицы-носителя силы гравитации. Унификация, включающая гравитацию, возможна лишь при фантастической температуре 10³² кельвинов (илл. 44). Единственная известная нам ситуация с такой температурой – 10

^–43 секунд после Большого взрыва, когда Вселенная была размером с элементарную частицу и общий принцип относительности разбивался о начальную сингулярность и сгорал в ней.

Существуют разные подходы к решению вопроса квантовой гравитации[261]. Идея петлевой квантовой гравитации основывается на рассуждениях Пифагора, который представлял, что берет от камня половину, от полученного куска – еще половину – и так до тех пор, пока не достигнет предела. В данном случае дюйм делится пополам – и так далее, вплоть до «атомов», или неделимых единиц пространства. Петлевая квантовая гравитация – это попытка напрямую перенести логику квантовой механики на силу гравитации. К более радикальным подходам относятся теория струн и дополнительные пространственные измерения, помимо известных трех. Переход от Ньютона к Эйнштейну и далее – от жесткого и линейного к гибкому и искривленному, а затем к туманному и дискретному – это самый важный незавершенный проект в физике. Прогресс идет медленно, а работа невероятно трудна.

В главе 1 мы увидели, что черные дыры характеризуются не только экстремальной гравитацией – для них также важны квантовые эффекты. Для любой новой теории, согласовывающей «однородный» мир искривленного пространственно-временного континуума с «зернистым» миром субатомных частиц, черные дыры оказываются самой сложной проблемой.

Эйнштейн однажды сказал, что только две вещи могут быть бесконечными: Вселенная и человеческая глупость. Насчет Вселенной он сомневался[262]. Умнейшие люди планеты пытаются создать теорию квантовой гравитации. Возможно, они преуспеют, возможно, нет. Тем временем испытания и попытки опровержения общей теории относительности могут способствовать прогрессу. По словам другого великого физика, Ричарда Фейнмана: «Мы стараемся как можно быстрее доказать свою неправоту, поскольку только так можем двигаться вперед»[263].

Как черные дыры влияют на пространство-время

Черную дыру можно определить как область пространственно-временного континуума, искривленную настолько, что она «выдавлена» из остальной Вселенной. И даже на некотором расстоянии от черной дыры искривление пространственно-временного континуума будет отклонять частицы и свет. О черных дырах еще не знали в тот момент, когда Эйнштейн создал общую теорию относительности, поэтому ее проверяли по гораздо более слабому эффекту – легкому отклонению света далекой звезды, проходящему у края Солнца по пути к Земле. Этот эффект проще всего наблюдать во время солнечного затмения, когда Солнце закрывается Луной и фоновые звезды становятся видимыми[264]. В 1919 г., всего через три года после выхода статьи об общей теории относительности, Артур Эддингтон и другие ученые измерили это отклонение одновременно в Бразилии и Центральной Африке. Результаты совпали с предсказанием Эйнштейна[265].

Эксперимент попал на передовицы большинства газет. Безусловно, драматизму ситуации способствовала ее символичность: британский ученый подтверждает работу немецкого ученого в конце длинной кровопролитной войны. Эйнштейн проснулся знаменитым. Он был абсолютно уверен в результатах. На вопрос, что бы он почувствовал, если бы экспедиция Эддингтона не подтвердила общую теорию относительности, он ответил: «Мне было бы жаль Господа. Теория в любом случае верна»[266].