Маленькая книга о Большом взрыве

Напрасное ожидание. Постепенно ситуация все ухудшалась – и бесконечности начали появляться повсюду. Математические методы, известные под общим названием метод ренормализационной группы, были созданы специально, чтобы разобраться с теорией бесконечностей и дать окончательные ответы. И оказалось, ответы согласуются с результатами эксперимента с такой удивительной точностью, что квантовая электродинамика часто называется самой достоверно испытанной теорией из всех когда-либо созданных.

Изначально никто не понимал, почему метод ренормализационной группы вообще работает – даже ее создатель Ричард Фейнман шутливо называл ее «фокус-покус». Сегодня метод ренормализационной группы получил более прочную математическую базу и считается необходимым для создания жизнеспособной теории поля. Если же при попытке получить разумные ответы теория не может быть преобразована с помощью этого метода, то она просто отбрасывается.

К сожалению, стандартные попытки квантовать гравитацию не только сохранили бесконечности, но даже и метод ренормализации потерпел неудачу, поэтому теория пока не дала внятных результатов.

* * *

Эта непростая ситуация привела к возникновению множества новых подходов к созданию полной теории квантовой гравитации. Простейший из них состоит в допущении, что гравитационное поле может быть описано с помощью общей теории относительности, а другие поля, например свет, надо описывать уже с помощью квантовой теории поля. Чтобы не называть такой подход дурацким, физики деликатно именуют его «полуклассическим». В любом случае можно ожидать, что и он даст свои плоды, если применять его к полям не самой высокой напряженности – примерно как у достаточно крупной черной дыры (чем крупнее черная дыра, тем слабее ее поле). Безусловно, полуклассический подход уже привел к самому известному триумфу квантовой гравитации: в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры не являются полностью черными, а излучают энергию, которая и является теплом черных тел.

Поскольку это излучение совсем слабое, излучение черных дыр нельзя заметить напрямую. О слабости свидетельствуют данные вычислений: температура черной дыры массой в одно солнце должна составлять примерно одну десятимиллионную градуса, а температура более крупных черных дыр – еще меньше. Однако теоретические расчеты Хокинга показали, что излучение должно быть именно таким, как у абсолютно черного тела, это заставило большинство физиков немедленно согласиться с удивительным результатом.

Если черные дыры излучают энергию, они должны терять массу – а если они должны терять массу, их температура должна повышаться: чем быстрее они теряют массу, тем быстрее снижается их энергия. Эта закономерность позволила Хокингу выдвинуть предположение, что жизнь черных дыр должна заканчиваться впечатляющими взрывами. На самом деле метод Хокинга подразумевает, что гравитационное поле, а значит, и масса черной дыры не уменьшаются. Это умозрительные заключения. Потеря массы должна вызывать обратную реакцию и замедлять процесс потери энергии. По крайней мере один из коллег Хокинга утверждает, что в реальности обратная реакция вообще приостанавливает испарение задолго до взрыва звезды.

Вполне возможно, что это утверждение неверно, однако на этом примере отлично видно, насколько все сложно и насколько мы далеки от полноценной теории квантовой гравитации. Можно с уверенностью сказать, что подход Хокинга неприменим к планковскому времени.

* * *

А что в таком случае к нему применимо?

Самым популярным решением этой задачи стала теория струн, находящаяся, правда, вне поля зрения этой небольшой книжки. Теория струн претендует на роль единой теории поля, также широко известной как теория всего. Последняя не только объединяет электромагнитные и ядерные взаимодействия (как это делает ТВО), но также включает в себя гравитацию. Теория струн – это квантовая теория поля, но фундаментальными структурными блоками в ней выступают не точечные частицы, а крохотные струны, чья длина приблизительно соответствует планковской длине. Растягивание элементарных частиц в струны определенной длины действительно может решить проблему бесконечностей. Эти струны могут иметь открытые и гуляющие концы или загибаться, образуя петлю. Обычные частицы в рамках этой теории рассматриваются как обертоны вибраций струн, подобные обертонам, возникающим при звучании скрипичной струны или орга́нной трубы.

Главное различие между струнами в теории струн и обычными струнами состоит в том, что вторые существуют в нашем мире четырех измерений (одном временно́м и трех пространственных), а первые (по крайней мере, в одной из ее версий) – в десяти пространственно-временны́х измерениях (одном временно́м и девяти пространственных). По идее, дополнительные пространственные измерения должны сворачиваться кольцами, как будто вокруг цилиндра, и образовывать длину, близкую к планковской. Разумеется, эта длина так мала, что эти струны для нас незаметны.