Маленькая книга о Большом взрыве

Очевидно, что планковская длина и планковское время невообразимо меньше всего, что вы (как и большинство физиков) могли бы помыслить. В то же время по сравнению с массой субатомных частиц планковская масса остается невероятно большой – достаточно большой, чтобы измерить ее на современных весах. Если вы умножите планковскую массу на c², вы получите планковскую энергию, объем которой приблизительно в 10¹⁵ раз превышает объем энергии, производимой Большим адронным коллайдером – самым мощным ускорителем частиц на Земле.

Что же означают все эти странные цифры? Фундаментальные постоянные – это самые важные числа во Вселенной, потому что именно они определяют область проявления всех природных сил. G

устанавливает интенсивность гравитационной силы, в то время как h определяет, когда нужно учитывать квантовые эффекты. Что касается c, то ее появление свидетельствует о том, что начинают действовать факторы теории относительности, – нечто движется со скоростью, близкой к скорости света.

Вы, вероятно, знаете: черная дыра обладает столь мощным гравитационным полем, что свет не может из нее вырваться. Размеры этого поля определяются массой, G

и c, и ничем больше. Размер черной дыры можно рассматривать как масштаб, на котором гравитационные силы обретают чрезвычайно важное значение. Если вы захотите найти массу частицы, чей квантовый размер (то есть длина волны) равен гравитационному размеру, вы получите планковскую массу. Планковской длиной будет служить размер этой квантовой черной дыры, а планковским временем – время, за которое через нее проходит свет.

Таким образом, планковские масштабы отображают длину, время и энергию, при которой квантовые и гравитационные эффекты одинаково важны. Эти масштабы не позволяют нам игнорировать ни гравитацию, ни квантовую механику, а значит, чтобы описать Вселенную, нам придется разработать квантовую теорию гравитации.

* * *

Но почему сделать это настолько трудно? Главным образом это связано с тем, что исходные постулаты общей теории относительности и квантовой механики сильно различаются. Квантовая механика игнорирует гравитацию, а общая теория относительности игнорирует квантовую механику. Другими словами, квантовые теории, как и специальная теория относительности, предполагают, что пространство-время всегда плоское. Напротив, общая теория относительности предполагает, что пространство-время может быть искривлено в зависимости от материи, которая его наполняет.

Здесь мы сталкиваемся с серьезной проблемой, выливающейся в чрезвычайные технические трудности. С самого момента создания квантовая механика, как и физика Ньютона, представляла собой теорию частиц. Подобно механике Ньютона, она никак не учитывала теорию относительности. Объединением квантовой механики и специальной теории относительности в релятивистскую квантовую механику мы обязаны Полю Дираку, сделавшему это в конце 1920-х годов.

Релятивистская квантовая механика изучает частицы – особенно электроны, которые считаются элементарными, точечными частицами

. Поскольку точка по определению имеет нулевую протяженность, возникает сложность, когда два точечных электрона соприкасаются, из-за чего электрическая сила между ними становится бесконечной[25].

Похожим образом энергия поля точечного электрона стремится к бесконечности в тот момент, когда сближается с другим электроном. То же происходит и с его массой, которая, согласно E = mc², должна включать в себя и энергию поля.

Усилия, призванные разрешить эти проблемы, привели к созданию квантовых теорий поля. В частности, квантовая электродинамика стала теорией, объясняющей, как электроны взаимодействуют с фотонами. Наивно было надеяться, что, если размазывать все по полям, но не подходить слишком близко к точечным электронам, подобные бесконечности – или сингулярности – просто исчезнут.

Выражаясь менее расплывчато, можно сказать, что в квантовой теории поля все взаимодействия описываются через обмены частиц, поскольку электромагнитная сила на самом деле обусловлена обменом фотонов. Такие разменные частицы принято называть виртуальными частицами, и их можно считать своего рода подтверждением флуктуаций вакуума, упомянутых в главе 8. Поскольку энергия вакуума колеблется и при этом никогда не достигает нуля, она, в соответствии с принципом неопределенности, может внезапно породить частицы, которые будут жить не дольше, чем позволяет этот же принцип (потому они и называются виртуальными). Предполагалось, что если облако виртуальных частиц окружит точечный электрон, это смягчит сингулярности.