Тем не менее вы можете спросить, имеет ли несовместимость между общей теорией относительности и квантовой механикой реальное значение. Безусловно, объединённые уравнения могут приводить к бессмыслице, но когда вообще вам реально может понадобиться использовать их вместе? Годы астрономических наблюдений показали, что общая теория относительности описывает макромир звёзд, галактик и даже весь расширяющийся космос с впечатляющей точностью; десятилетия экспериментов подтвердили, что квантовая механика делает то же самое для микромира молекул, атомов и субатомных частиц. Поскольку каждая теория чудесно работает в своей собственной области, зачем беспокоиться об их объединении? Почему бы не держать их отдельно? Почему не использовать общую теорию относительности для больших и массивных объектов, квантовую механику для мелких и лёгких, и прославлять впечатляющие достижения человечества в успешном понимании такого широкого круга физических явлений?
На самом деле, это есть как раз то, что и делало большинство физиков с первых десятилетий XX в., и никто не отрицает, что это, несомненно, был плодотворный подход. Прогресс науки, достигнутый в этих непересекающихся областях, впечатляет. Тем не менее есть причины, почему антагонизм между общей теорией относительности и квантовой механикой должен быть устранён. Таких причин две.
Во-первых, чисто интуитивно, трудно поверить, что самое глубокое понимание Вселенной достигается в противоестественном союзе двух мощных теоретических схем, которые взаимно несовместимы. Как если бы Вселенная была снабжена пунктирными линиями, разделяющими вещи на те, которые описываются квантовой механикой, и те, которые описываются общей теорией относительности. Разделение Вселенной на две обособленные реальности кажется и искусственным, и неуклюжим. Для многих уже отсюда ясно, что должна существовать более глубокая, объединённая истина, которая преодолевает пропасть между общей теорией относительности и квантовой механикой и которая применима ко всему. У нас есть одна Вселенная, и поэтому многие совершенно уверены, что мы должны иметь одну теорию.
Во-вторых, хотя большинство объектов действительно являются либо большими и тяжёлыми, либо маленькими и лёгкими и, следовательно, в практическом смысле могут быть описаны с использованием общей теории относительности или квантовой механики, это не верно для всех объектов. Чёрные дыры — хороший пример этому. В соответствии с общей теорией относительности вся материя, составляющая чёрную дыру, впрессована в единственную крохотную точку в центре чёрной дыры.{232} Это делает центр чёрной дыры как чудовищно массивным, так и немыслимо маленьким, а потому он оказывается с обеих сторон предлагаемого деления: общую теорию относительности необходимо использовать, так как большая масса создаёт мощное гравитационное поле, и в то же время надо использовать квантовую механику, так как вся масса втиснута в микроскопический размер. Но в комбинации уравнения рушатся, так что никто не может определить, что происходит прямо в центре чёрной дыры.
Это хороший пример, но если вы на самом деле скептик, вы можете ещё поинтересоваться, является ли он чем-то таким, что должно вызывать у кого-то бессонницу. Поскольку мы не можем заглянуть внутрь чёрной дыры, пока мы туда не прыгнем, и, более того, если мы туда всё же прыгнем, то мы не сможем сообщить о наших наблюдениях назад во внешний мир, наше неполное понимание внутренней области чёрной дыры может нас беспокоить, но не слишком. На физиков, однако, существование области, в которой отказывают известные законы физики, — не важно, насколько таинственной может казаться эта область, — действует как красная тряпка на быка. Если известные законы физики дают сбой хоть в каких-то условиях, это ясный сигнал, что мы не достигли наиболее глубокого возможного понимания природы. При всём при том, Вселенная работает; настолько, насколько мы можем судить, Вселенная не разваливается на куски. Правильная теория Вселенной должна по меньшей мере удовлетворять тому же стандарту.
Да, это, конечно, выглядит разумным. Но, на мой взгляд, срочная необходимость разрешения конфликта между общей теорией относительности и квантовой механикой обнаруживается только в следующем примере. Посмотрим снова на рис. 10.6. Как вы можете видеть, мы сделали важные шаги в построении состоятельной и обладающей предсказательной силой истории космической эволюции, но картина осталась неполной из-за туманного пятна вблизи рождения Вселенной. А в дымке тех ранних моментов лежит прорыв в самые манящие тайны: в происхождение и фундаментальную природу пространства и времени. Так что нам мешает проникнуть в туман? Дело в конфликте между общей теорией относительности и квантовой механикой. Антагонизм между законами большого и законами малого является причиной невозможности проникнуть в туман, и мы всё ещё не имеем понимания того, что происходило в самом начале Вселенной.
Чтобы понять, почему, представьте, как мы делали в главе 10, прокрутку плёнки с расширяющимся космосом в обратном направлении, назад к Большому взрыву. При прокрутке в обратном направлении всё, что сейчас разносится в стороны, будет собираться вместе, и по мере прокрутки плёнки всё дальше назад Вселенная становится всё меньше, горячее и плотнее. Когда мы приблизимся к самому моменту времени «нуль», вся наблюдаемая Вселенная сожмётся до размеров Солнца, затем спрессуется до размеров Земли, затем до размеров шара для боулинга, горошины, песчинки — Вселенная становится всё меньше и меньше по мере того как плёнка перематывается по направлению к начальным кадрам. Наконец, наступит момент, когда вся известная Вселенная будет иметь размер, близкий к планковской длине, — миллионной от миллиардной от миллиардной от миллиардной доли сантиметра, — при которой общая теория относительности и квантовая механика сталкиваются лбами. В этот момент вся масса и энергия, соответствующая рождению наблюдаемой Вселенной, содержится в кусочке, который в сто миллиардов миллиардов раз меньше размера атома.{233}
Таким образом, точно так же, как центр чёрной дыры, ранняя Вселенная попадает на обе стороны водораздела: гигантская плотность ранней Вселенной требует использования общей теории относительности. Крохотные размеры ранней Вселенной требуют использования квантовой механики. Но, ещё раз, вместе эти законы отказываются работать. Проектор «зажёвывает» плёнку, в ней прогорает дырка, и мы не можем подобраться к самым ранним моментам Вселенной. Вследствие конфликта между общей теорией относительности и квантовой механикой мы остаёмся неосведомлёнными о том, что происходило в начале, и возвращаемся к изображению туманного пятна на рис. 10.6.
Если мы надеемся когда-нибудь понять истоки Вселенной — один из глубочайших вопросов во всей науке, — конфликт между общей теорией относительности и квантовой механикой должен быть разрешён. Мы обязаны урегулировать конфликт между законами большого и законами малого и соединить их в отдельную гармоничную теорию.
{232}
Отчасти неправильно говорить о «центре» чёрной дыры как о некотором месте в пространстве. Причина, грубо говоря, заключается в том, что когда кто-то пересекает горизонт событий чёрной дыры — её внешний край, — роли пространства и времени для него меняются местами. Фактически, точно так же, как вы не можете сопротивляться переходу от одной секунды к другой во времени, вы не можете сопротивляться затягиванию в «центр» чёрной дыры, если вы пересекли горизонт событий. Оказывается, что эта аналогия между направленностью вперёд во времени и устремлением к центру чёрной дыры строго обосновывается математическим описанием чёрных дыр. Таким образом, вместо того чтобы думать о центре чёрной дыры как о положении в пространстве, лучше думать о нём как о положении во времени. Более того, поскольку вы не можете уйти за центр чёрной дыры, вы могли бы попытаться думать о нём как о положении в пространстве-времени, где время приходит к концу. Это вполне может оказаться и правильным. Однако, поскольку стандартные уравнения общей теорией относительности не работают при таких экстремально малых размерах и гигантских плотностях массы, наша способность делать определённые утверждения такого типа компрометируется. Конечно, это означает, что если бы мы имели уравнения, которые работали бы в глубине чёрной дыры, мы смогли бы получить важные результаты о природе времени. Это одна из целей теории суперструн.
{233}
Как и в предыдущих главах, под «наблюдаемой Вселенной» я подразумеваю ту часть Вселенной, с которой мы могли бы, по крайней мере в принципе, иметь сообщение в течение времени с момента Большого взрыва. Во Вселенной, которая бесконечна в пространстве, как обсуждалось в главе 8, всё пространство не сжато в точку в момент Взрыва. Определённо, когда мы всё более приближаемся к началу, наблюдаемая часть Вселенной всё более сжимается, но, хотя это трудно изобразить, имеются объекты — бесконечно далеко удалённые, — которые всегда будут оставаться отделёнными от нас, несмотря на то что плотность материи и энергии всё более возрастает.
[234]
Остаток этой главы излагает открытие теории суперструн и обсуждает основные идеи теории относительно унификации структуры пространства-времени. Читавшие «Элегантную Вселенную» (особенно главы с 6 по 8) будут знакомы почти со всем материалом и могут свободно пропустить эту главу и переходить к следующей.