Сорви цветок на Земле и ты сдвинешь с места дальнюю звезду.
Поль Дирак
До сих пор никто из физиков не смог объяснить, каким образом можно связать гравитацию с квантовыми явлениями. На уровне больших объектов общая теория относительности Эйнштейна успешно моделирует, как устроена гравитация, но вот если масса Вселенной по объему не превышает атом, как это было в момент Большого взрыва, квантовая неопределенность затрудняет составление выводов об общей геометрии теории относительности. Поэтому и невозможно предсказать, как ведет себя гравитация в условиях сингулярности или, например, внутри черной дыры.
Мы получили две изумительные теории, которые описывают гравитацию на макромасштабах и взаимодействие частиц на микромасштабах. Они позволяют делать точные расчёты и прогнозы и объясняют многие неразрешимые феномены. Но эти теории абсолютно не стыкуются друг с другом: если для трёх из четырёх фундаментальных сил мы смогли расписать их поля и, изощрившись математически, выписать обменные бозоны (а любое взаимодействие в природе является обменным), и даже обнаружили существование бозона Хиггса, который создает массу протонам и нейтронам, то для гравитации подобного сделать не получается. Гравитон тоже пока экспериментально не обнаружен.
Чтобы понять механизм зарождение космоса, нам нужна квантовая теория гравитации, которая объединит общую теорию относительности и квантовую механику. Эта теория должна быть квантовой по сути (потому что квантовая механика – самая на данный момент подтвержденная область физики), но создать ее можно будет только тогда, когда физики поймут, что из себя представляет тяготение. Такая теория закроет зияющую брешь между квантовым миром и классической реальностью и станет четвертой великой объединяющей теорией – после физики Ньютона, теории эволюции Дарвина и электромагнетизма Максвелла. В начале XXI века мы стоим на пороге новой революции. Поиск более эффективной теории, чем теория Эйнштейна - квантовой теории гравитации - одно из величайших предприятий, за которые когда-либо бралась физика.
Теория Эйнштейна описывает гравитацию как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени. Эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном четырехмерном континууме движение тел «по инерции» (при отсутствии иных сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве. Все тела в отсутствии иных сил всегда стремятся продолжить свое прямолинейное движение. В общей теории относительности Эйнштейн набрел на блестящую догадку, а что, если эти линии уже изначально искривлены? Что если в сильном гравитационном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля? Американский физик Джон Уилер описывает ситуацию таким образом: «Материя диктует пространству-времени, как изогнуться, а изогнутое пространство-время приказывает материи, как ей перемещаться». Но что влияет в первую, а что во вторую очередь – искривление геометрии Вселенной или наличие гигантских скоплений материи и энергии?
Теория Исаака Ньютона использует кажущееся сверхъестественным понятие «действия на расстоянии»: Солнце дотягивается до Земли, как будто Земля прикреплена к нему за веревку, силами своего гравитационного притяжения, хотя между ними нет никакого посредника, кроме пустого пространства. Чем бы ни было обусловлено это влияние тел друг на друга, в теории Ньютона промежуточной «материи» оно не включает. Объясняя сей загадочный феномен, Ньютон скромно заявил: Hypotheses non fingo, то есть «гипотез не измышляю». Теория гравитации постулирует, что каждая частица во Вселенной одновременно создает гравитационную силу и подчиняется ей, причем сила эта бесконечна: любая взятая наугад частица влияет на все другие частицы, независимо от расстояний до них. Получается, что серьезные физики приписывают безграничное могущество крохотным частицам?
Сила притяжения воздействует на каждый участок материи во Вселенной. Гравитация возникает между вами и проходящим мимо человеком, между вами и мобильным телефоном у вас в кармане, между мочкой вашего правого уха и большим пальцем вашей левой ступни. В повседневных ситуациях сила гравитации слишком мала, чтобы произвести видимый эффект. Но чем больше масса, тем она становится сильнее.
Что бы кто ни говорил, именно гравитация определяет общую геометрию Вселенной. Но ведь планеты обращаются вокруг Солнца не потому, что подчиняются закону всемирного тяготения, а потому, что закон гравитации представляет сжатое выражение точной природной закономерности – включая и подразумеваемые этой закономерностью орбиты планет и их спутников. Но чем обусловлена эта закономерность? В момент Большого взрыва, как и под горизонтом событий черной дыры, времени и пространства в том виде, к какому мы привыкли, еще нет – гравитация столь сильна, что ни на йоту не дает «стрелкам» вселенских часов ходу. Но исчезни сила притяжения совсем, часы снова остановятся – так же, как нет течения внутреннего времени для безмассовых частиц бозонов, когда они со скоростью света и не подвластные гравитации путешествуют сквозь космический вакуум (Юный Эйнштейн мечтал «оседлать» фотон и полетать на безмассовой частице). Американский физик Митио Каку утверждает, что как отдельной силы гравитации не существует, планеты и звёзды движутся из-за искривления пространства и времени». Это объяснение полностью передаёт суть теории гравитации Эйнштейна.
Величина потенциальной гравитационной энергии, которая к тому же является отрицательной, определяется изначальной кривизной пространства. Если Вселенная плоская или почти плоская, как это выглядит в настоящий момент космической истории в самые точные телескопы наподобие COBE, в сумме оба вида энергии – положительная энергия вещества и отрицательная энергия гравитации – дают ноль и законы сохранения не нарушаются. Материя полностью уравновешивается собственной противоположностью – тяготением.
Структура же физических, химических и биологических связей в такой Вселенной является исключительно виртуальной. Она существует лишь в математическом смысле - платоновском мире, ровно так же, как и законы математики не нуждаются ни в каком физическом носителе, чтобы существовать себе и существовать. Законы природы, такие как гравитация, не имеют собственного онтологического статуса. С этой точки зрения они не парят над миром и не существуют прежде него в какой бы то ни было форме. Скорее, они представляют общее возможное описание типов событий в мире. Тогда планеты обращаются вокруг Солнца не потому, что «подчиняются» закону гравитации, как предполагал Ньютон, а закон гравитации (или, точнее, общая теория относительности, сменившая его) представляет сжатое выражение определенной природной закономерности – включая сюда и подразумеваемые этой закономерностью орбиты звезд и планет. Что это за закономерность, нам и предстоит выяснить.
Когда пространство абсолютно плоское, а значит, геометрия Вселенной подчиняется законам Евклида - на тело не действуют никакие силы притяжения (при условии, что и другие силы тоже не действуют), объект, обладающий хотя бы минимумом энергии, навсегда улетит от нас в просторы космоса, и мы его больше не сможем наблюдать. Он перестает существовать в обычном смысле слова, если под существованием мы понимаем обнаружение признаков, по которым можем отличить существование от несуществования. Физики называют существование нарушением симметрии. Так вот, существовать – значит как-то нарушать симметрию. Тело, на которое не действуют никакие силы, будет где-то невообразимо далеко, в бесконечности космоса, только с ним уже больше ничего не будет происходить. Для внешнего наблюдателя картина реальности останется симметричной, как в голом Ничто. Но на любые тела, которые находятся в просторах физической реальности, все же действуют силы, сколь угодно далеко бы они не находились от источника этих сил – это и есть гравитация. Она, например, создаёт притяжение между вами и монетками в вашем кармане или между вами и проезжающими автомобилями. Конечно, это очень слабая сила: если вы вытянете руку, то напряжение мышц окажется сильнее, чем гравитация всей Земли. Но, несмотря на слабость, гравитации в большом масштабе нельзя противостоять, потому что она контролирует эволюцию и судьбу всей Вселенной – нарушает симметрию.
Некоторые физики, когда речь заходит о расширении Вселенной, указывают, что расширяется прежде пространство – его координатные сетки, а не материя. Удлиняются расстояния между небесными телами, но сами объекты, связанные не гравитационными, а электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями, при этом не претерпевают изменений в размерах. Возникает много пустого пространства, а Вселенная становится все более плоской на больших масштабах. Квантовый вакуум, которым заполнено инфлюирующее пустое пространство, имеет структуру, подчиняющуюся сложным и глубоким законам физики. Он содержит в себе энергию, которая, в отличии от гравитации, не притягивает, а, наоборот, расталкивает объекты Вселенной. Под действием отрицательного давления любой кусочек «несуществующего» вакуума испытывает безудержное расширение, влияя тем самым на «реальную» материю. Поразительно, что обычная материя, состоящая из частиц, предусмотренных Стандартной моделью, составляет всего 5 % всей массы-энергии Вселенной, да и из неё астрономы сумели увидеть в телескопы лишь половину. Предполагается, что вторая половина приходится на водородные облака, плавающие между галактиками.
Согласно теории Большого взрыва, масса вещества в момент сингулярности, когда Вселенная только родилась, должна была превосходить 10 в 83 степени килограмм. Но откуда это бесконечное количество вещества, если до момента возникновения Вселенной ничего не было? Сначала ничего не было, а потом вдруг появилось, и так много, что даже как-то страшно. Вес наблюдаемой части Вселенной — больше 10 в 53 степени килограмм. Инфляционная теория, приходящая в 21 веке на смену и дополняющая теорию Большого взрыва, научилась объяснять, как можно получить всю массу и энергию гигантской Вселенной из меньше чем одного миллиграмма вещества. Американский физик русского происхождения Андрей Линде утверждает, что достаточно всего стотысячной части грамма материи (стомиллионная доля килограмма), чтобы дать начало такой Вселенной, как наша собственная. Этого хватит, чтобы создать маленький островок вакуума, который взорвется в миллиарды миллиардов звезд, наблюдаемых сейчас. Возможно, что цивилизация, ушедшая в развитии дальше нашей, способна создать Вселенную в лаборатории. Этого так боялись противники запуска Большого адронного колайдера в Церне. Вся материя в теории инфляции возникает из отрицательной энергии гравитационного поля, а это поле разбрасывает ее дальше по пустому пространству, будто краску из пульверизатора. Если общая энергия замкнутой Вселенной в точности равна нулю, если принимать во внимание также энергию гравитационного поля. Таким образом, инфляция может взять микроскопический шарик пространства и раздуть его до размеров наблюдаемой Вселенной. По словам Алана Гута: «Инфляция — это образец бесплатного сыра в мышеловке».
Поскольку гравитация, как и электромагнитное излучение — самая очевидная сила во Вселенной, Эйнштейн поставил себе целью описать ее на языке теории относительности. Он пришел к выводу, что гравитационное поле никак не влияет на результаты экспериментов при условии, что мы ограничимся относительно небольшими областями пространства и короткими интервалами времени. Мы можем измерять скорости химических реакций, бросать мячи, запускать спутники и смотреть, как они будут падать, наблюдать за растяжением пружин и качанием маятников — и получать на околоземной орбите такие же результаты, как если бы мы проводили их далеко в межзвездном пространство. Если ограничиться достаточно небольшими областями пространства и времени, то какие бы эксперименты мы ни совершали, ни один не укажет на действие силы притяжения, не дающей кораблю покинуть околоземную орбиту.
А теперь сравните сложность обнаружения гравитационного поля с легкостью обнаружения, например, электрического поля. В случае гравитации отличие заключается в том, что не существует отрицательного гравитационного заряда. Гравитационное поле – поле скалярное. Все во Вселенной реагирует на воздействие тяготения одинаково. Силу тяжести невозможно обнаружить в небольшой области пространства—времени, если ориентироваться только на различия в ее воздействии на объекты в разных событиях пространства—времени. Эйнштейн возвел это наблюдение до закона природы: принцип эквивалентности гласит, что никакие локальные эксперименты не позволяют обнаружить существование гравитационного поля. Но если гравитация - поле, то что тогда из себя представляет квант этого поля – гравитон?
И еще один вопрос. Как понять, насколько важную роль играет гравитация и когда мы можем ею пренебречь? Если взять набор частиц, их гравитационное взаимодействие всегда будет притягивать их друг к другу — гравитационное поле между частицами скалярно и всегда работает на притяжение. (В противоположность, например, электромагнетизму, который может как притягивать, так и отталкивать в зависимости от типа электрических зарядов). Однако существуют прочие силы, которые предотвращают коллапс тела в черную дыру. Солнце, Земля и Луна не коллапсируют под действием собственного гравитационного притяжения, потому что поддерживаются давлением вещества внутри него, которое создают электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Когда гравитация существенна, то преодолевает положительное давление вещества, пытающееся не дать объекту сколлапсировать в черную дыру. Фермионы, такие как электроны и кварки — это частицы материи, которые не могут нагромождаться друг на друга. Бозоны, например, фотоны и гипотетические частицы гравитоны - это частицы, способные скапливаться в любых количествах. Когда мы наблюдаем классическое макроскопическое поле, в действительности мы видим совокупность огромного количества бозонов. Принцип Паули объясняет, почему фермионы, такие, как электроны и кварки внутри протонов и нейтронов, не в состоянии образовывать подобные скопления. Поэтому и вибрации их полей проявляют себя исключительно в виде индивидуальных частиц. Существует интересная умозрительная теория о том, что мы могли бы создать черную дыру в ускорителе частиц, а затем наблюдать, как она распадается, испуская хокинговское излучение. При обычных физических условиях такой сценарий был бы безнадежно нереалистичным. Гравитация — невероятно слабое взаимодействие, и мы никогда не смогли бы построить достаточно мощный ускоритель частиц, чтобы сделать хотя бы микроскопическую черную дыру. Однако некоторые современные теории наподобие теории струн и бран, включающие скрытые измерения пространства—времени, предполагают, что гравитация становится намного сильнее, чем обычно, на коротких расстояниях. В этом случае перспектива создания микроскопической черной дыры переходит из категории безумных в категорию умозрительных, но не совершенно безумных.
Каково же влияние гравитации на течение время? Воспользуемся аналогией. Бесконечность в математике — это число больше любого другого числа. Если объект движется с бесконечной скоростью, его невозможно поймать. Тот факт, что свет невозможно поймать, означает, что по каким-то причинам в нашей Вселенной скорость света играет роль бесконечной скорости. Эта аналогия очень удобна. Если что-то движется с бесконечной скоростью, ваша собственная скорость или направление движения не имеют значения. Ваша скорость будет настолько ничтожной по сравнению со скоростью света, что последняя покажется вам бесконечной. Если объект, движущийся со скоростью света, будет запущен с тела, которое движется по направлению к вам или от вас, то скоростью такого тела можно будет пренебречь по сравнению со скоростью запущенного объекта. Раз скорость света играет в нашей Вселенной роль бесконечной скорости, то она всегда остаётся постоянной, несмотря на скорость её исходной точки или наблюдателя. Гравитация задает координатные сетки четвертого измерения – времени. Чтобы утверждать, что весь ряд локальных событий А1 А2 … АN происходит одновременно, мы должны постулировать наличие общего для всех этих событий взаимодействия, чего в физической реальности не происходит. Единственной силой, которая действует нелокально и на которую мы вправе завязать фоновое время, является гравитация. Гравитация действует там, где пролегают искривления самой ткани пространства, по которым «катятся» массы–энергии материальных тел (а то, что массы и энергии являются проявлением одного и того же, мы знаем из теории относительности Эйнштейна). Максимальная скорость взаимодействия между ними ограничена скоростью света. Нелокальность взаимодействия обеспечивает и нелокальность времени - другими словами, то, что на первый взгляд кажется наблюдателю одновременным, составляет набор бесчисленных взаимодействий - как бы маленьких часиков, расставленных в каждой точке по пространства.
Суть теории Ньютона о всемирном тяготении состоит в том, что гравитация — это сила, действующая между всеми элементами материи. Это означает, что сила притяжения, с которой Земля воздействует на Луну, равна силе притяжения, с которой на Луну воздействует и Эверест, и каждая песчинка на каждом берегу каждого земного океана. По сути, гравитационное воздействие на Луну равно сумме гравитационных воздействий всех бесчисленных частиц материи, из которых состоит. Но почему яблоко падает на Землю, а Луна нет? Почему с неба не падают спутники? Что удерживает их на орбите? Правильный ответ — ничего. Ведь на самом деле они падают! Многие считают, что космонавты в космосе ничего не весят, потому что там нет гравитации. Однако даже на Международной космической станции гравитация составляет около 90 % земной. Космонавты на её борту оказываются в невесомости не потому, что гравитация больше не влияет на них, а потому, что они находятся в непрерывном падении. Луна постоянно падает по кругу. То есть и Луна, и яблоко всё-таки делают одно и то же. Это не совсем очевидно, потому что яблоко не имеет скорости, направленной параллельно Земле, а Луна имеет и, ядро из пушки, всё время движется вокруг нашей планеты. Но что будет с Землей, если Солнце мгновенно исчезнет – слетит с привычной орбиты или провалится в черную дыру? Как и любая другая сила, гравитация обладает конечной скоростью распространения – она ограничена «бесконечной» скоростью света (300000 километров в секунду). Эта ограниченность и задает существование такого параметра, как течение времени. Представить только, еще целых 8 минут, пока информация об «украденном» Солнце дойдет до нашей Земли, планета останется висеть на своей орбите в целости и невредимости, а потом не сдерживаемая больше солярным притяжением, улетит в холодные просторы космоса. Выходит, что гравитация - если придерживаться постулата о конечной скорости распространения взаимодействия – это не реально существующая сила, которая вызвана колоссальным искривлением ткани пространства-времени, произошедшим в момент Большого взрыва (или инфляции), а лишь некая информация о том, что эта сила действует?
Чудесное открытие аргентинского физика Хуана Малдасены, которое он совершил в 1998 году, состоит в том, что мы живем в голографическом мире, окруженном четырехмерной границей по краям, как двумерная поверхность футбольного мяча окружает воздух, содержащийся внутри сферы. Уравнения границы содержат ту же информацию и описывают те же физические явления, что и более сложные уравнения для всей остальной Вселенной. Иными словами, влияние гравитации на внутреннюю часть такого мира математически эквивалентно теории квантового поля на его границе. Мы живем на двумерной поверхности горизонта, но верим, что находимся внутри него, а видимая Вселенная – проекция трехмерной голограммы на двумерную поверхность. Бинарность квантового и гравитационного описания открывает глубокую связь между квантовой теорией и гравитационной теорией Эйнштейна. Раньше они казались совершенно непохожими друг на друга, но может статься, что это две разные проекции одного и то же слона. Гравитация – это информация о мире, начертанная на двумерной поверхности его границы! Как и информация, полностью описывающая трехмерный объект – черную дыру, сохраняется на горизонте черной дыры – двумерной поверхности. Это делает горизонт событий похожим на голограмму – на манер ДНК человека, которая содержит информацию о том, из какой зиготы он однажды произошел. Поскольку излучение Хокинга зарождается в вакууме в непосредственной близости от горизонта событий чёрной дыры, можно предположить, что микроскопические неровности ландшафта этого горизонта оказывают на излучение влияние. Эти неровности «модулируют» излучение, как голос диктора новостей или музыка модулируют волну радиостанции. Таким образом, информация о звезде, предшествовавшей появлению чёрной дыры, переносится во Вселенную вместе с излучением Хокинга. Эта информация не теряется, а значит, один из самых важных законов физики – закон сохранения – продолжает отменно работать.
Физики посчитали работу Хуана Малдасены такой важной, что сослались на неё более 10 000 раз в других научных трудах. Некоторые ученые всерьез полагают, что обнаружение связи между гравитацией и квантовой теорией так же важно, как открытие Максвелла о том, что электричество, магнетизм и свет можно объединить в единое целое. Мы на пути создания новой объединяющей теории, о которой всю жизнь грезил Стивен Хокинг.
В картине мира, открытой Малдасеной, Макровселенная представляет собой трёхмерный остров, качающийся на поверхности десятимерного океана. Перед струнами, из которых состоит такая Вселенная, открываются две возможности: один конец струны может быть прикреплён к трехмерной бране или же струна может быть замкнута в кольцо и не контактировать с браной. Известные нам фундаментальные частицы, входящие в Стандартную модель, относятся к первому типу поведения струны, а гравитон представляет собой кольцо, способное двигаться за пределами браны и исследовать все десять пространственных измерений разом. Эта теория предлагает интуитивное объяснение одной из величайших загадок физики: почему гравитация настолько слабее других фундаментальных сил природы. Гравитон – просто сторонний наблюдатель, чурающийся вступать с другими струнами в какие бы то ни было энергетические союзы!
Если наша Вселенная действительно представляет собой огромный трёхмерную Атлантиду, плавающую по поверхности десятимерного пространства-времени, будет логично спросить: а единственный ли он? Если нет, то может ли одна трехмерная брана столкнуться с другой? Именно на таком варианте развития событий строится новая гипотеза Большого взрыва, предложенная группой учёных под руководством физика Нила Турака из Канады. Согласно этой схеме, однажды две пустые браны приблизились друг к другу в пятом измерении (за четвёртое мы принимаем время). Они прошли сквозь друг друга. Так как в пятом измерении браны обладали огромной энергией, то в момент их соприкосновения она должна была куда-то деться: возникла масса и энергия субатомных частиц на бранах, которые потом раскалились до невероятных температур - произошёл Большой взрыв. Огненный шар, возникший на каждой бране, расширился и остыл, а из обломков сформировались галактики, которые начали разлетаться. В конце концов материя на каждой бране оказалась столь разреженной, что они, по сути, снова стали пустыми. Вакуум в пятом измерении действует как пружина, снова прижимающая браны друг к другу. Вот вам и ответ на загадку темной энергии! А наш Большой взрыв — это всего лишь одно событие из длинной цепи, которая началась в прошлом и продолжится в будущем.
Роль пространства-времени в структуре Вселенной наиболее ярко проявляется в гравитационных волнах. Пространство-время колеблется при движении массы, а колебания вызывают волны, как поплавок, брошенный в озеро. Только в этом случае они расходятся по всей ткани пространства-времени. Одно из преимуществ гравитационной астрономии, которая стала доступна физикам после запуска интерферометра Ligo- это то, что гравитационные волны не могут экранироваться материей. Мы можем наблюдать состояния нашей Вселенной в порядка 10 в -40 степени, то есть практически сразу после Большого взрыва. Ни один доступный канал в астрономии не может так близко подойти к началу зарождения нашей Вселенной и получить нужную информацию. Теперь у человечества открылось дополнительное «чувство» для понимания тайн Вселенной. Мы умеем принимать такие сигналы, которые раньше нельзя было отыскать никакими другими способами. Они не видны в телескоп, не видны ни в каких других спектрах излучения, кроме как в гравитационных волнах. Это дает совершенно новые знания о Вселенной: как она образовалась, формировалась в первые секунды и минуты и как происходила эволюция космоса. Открывается совершенно новый вид астрономии: изучение Вселенной с помощью гравитационных волн. Человечество обрело дополнительное чувство: оно научилось не только видеть, но и «слышать» вселенную.
Теория Максвелла предсказала существование радиоволн, а потому сделала нашу планету миром коммуникаций, где данные постоянно передаются по воздуху. Ни Максвелл, ни его современники не могли предсказать подобного: если бы жители 19 века увидели телевизор, мобильный телефон или Интернет, они посчитали бы их не технологическими артефактами, а проявлениям чудесного. Кто знает, что даст нам теория Эйнштейна, согласованная с квантовыми эффектами: возможно, мы получим власть над самим пространством и временем - сможем создавать «кротовые норы», строить межгалактические космические корабли и мастерить машины времени.
«Наша способность путешествовать во времени зависит от законов квантовой гравитации, — заявляет физик Кип Торн, лауреат Нобелевсокй премии и научный консультант фильма «Интерстеллар», — и мы всего в нескольких шагах от их полного понимания. Нам нужно всего лишь 20–30 лет, а может, и того меньше».