Читати книгу - "Коротка історія часу"

Цих проблем можна уникнути, якщо чинне припущення хронологічного захисту, за яким фізичні закони “змовляються”, щоб запобігти перенесенню інформації у минуле макроскопічними тілами. Як і припущення космічної цензури, воно не доведене, та є підстави вважати, що воно правдиве.

Така підстава вважати, що хронологічний захист працює, полягає в тому, що коли простір-час викривлений достатньо, щоб уможливити подорож у минуле, віртуальні частинки, що рухаються замкненими петлями у просторі-часі, можуть стати реальними частинками, що рухаються уперед у часі зі швидкістю рівною або меншою від швидкості світла. Позаяк ці частинки можуть рухатися петлями скільки завгодно часу, вони проходять кожну точку шляху багато разів. Таким чином їхня енергія лічена знову і знову і її густина стане дуже велика. Це може надати просторові-часові позитивну кривину, що унеможливлює подорожі в минуле. Ще не зовсім зрозуміло: ці частинки спричинять позитивну, чи негативну кривину, чи кривина, спричинена якимсь видом віртуальних частинок скомпенсує кривину, спричинену іншим видом. Тому можливість подорожей у часі залишається відкритою. Та я не буду закладатись на неї. Мій опонент може мати несправедливу перевагу, знаючи майбутнє.

Розділ 11   ОБ’ЄДНАННЯ ФІЗИКИ

У розділі 1 пояснено, що було б дуже важко побудувати повну єдину теорію всього у Всесвіті всю за раз. Замість цього ми добилися прогресу, створюючи часткові теорії, що описують обмежене коло подій, і нехтуючи іншими ефектами або апроксимуючи їх певними числами. (Хемія, наприклад, дозволяє обчислювати взаємодії атомів, не знаючи внутрішньої будови ядра атома.) Хоча врешті можна було б сподіватися, що буде знайдена повна, послідовна та єдина теорія, яка охопила б усі ці часткові теорії як наближення, та яку не потрібно було б коригувати, щоб відповідала фактам, підбираючи значення певних довільних чисел у теорії. Робота над створенням такої теорії називається «об’єднанням фізики». Більшу частину своїх останніх років життя Айнштайн витратив на безуспішні пошуки єдиної теорії. Але час тоді ще не настав: існували часткові теорії для гравітації та електромагнетних сил, але дуже мало було відомо про ядерні сили. Крім того, Айнштайн відмовлявся вірити у реальність квантової механіки, попри важливу роль, яку він зіграв в її розвитку. І все ж здається, що принцип невизначеності — це фундаментальна властивість Всесвіту, в якому ми живемо, а тому цей принцип обов’язково повинен бути складником успішної єдиної теорії.

Читаючи далі, ви зрозумієте, що перспективи побудови такої теорії тепер здаються набагато кращими, адже ми знаємо набагато більше про Всесвіт. Однак ми повинні остерігатися надмірної самовпевненості, адже і раніше ми мали оманні надії! На початку минулого століття, наприклад, вважали, що все можливо пояснити в термінах властивостей неперервної матерії, таких як еластичність і теплопровідність. Відкриття атомної структури та принципу невизначеності поклали цьому рішучий край. Хоча 1928 року фізик, лавреат Нобелівської премії Макс Борн сказав групі відвідувачів Ґетинґенського університету: «Фізика, як ми її знаємо, зникне протягом шести місяців». Його впевненість була основана на недавньому Дираковому відкритті рівняння для електрона. Вважали, що подібне рівняння повинне існувати і для протона, що був єдиною відомою в той час іншою частинкою, і це стане кінцем теоретичної фізики. Проте відкриття нейтрона і ядерних сил розбили й ці передбачення. Сказавши це, я, як і раніше, вважаю, що є підстави для обережного оптимізму, що ми тепер, можливо, ближчі до завершення пошуків кінцевих законів природи.

У попередніх розділах я говорив про загальну теорію відносності, яка являє собою часткову теорію гравітації, і про часткові теорії, що визначають слабкі, сильні й електромагнетні сили. Останні три можуть бути об’єднані в так званих теоріях великого об’єднання, або ТВО, що не дуже задовільні, адже вони не охоплюють гравітації і містять низку величин на кшталт відносних мас різних частинок, які не можуть бути передбачені з теорії, а мають бути підібрані, щоб допасувати експерименти. Основна трудність у побудові теорії, яка об’єднувала б гравітацію з іншими силами, в тому, що загальна теорія відносності — класична теорія, тобто не містить у собі принцип невизначеності квантової механіки. З іншого боку, інші часткові теорії істотно пов’язані з квантовою механікою. Тому передусім загальну теорію відносності необхідно об’єднати з принципом невизначеності. Як ми бачили, це може дати деякі дивовижні наслідки: чорні діри не чорні, а Всесвіт не має жодної сингулярності, зате повністю замкнений і без меж. Проблема в тому, як уже описано в розділі 7, що, з огляду на принцип невизначеності, навіть «порожній» простір заповнений парами віртуальних частинок і античастинок. Ці пари матимуть нескінченну енергію, а тому, відповідно до знаменитого рівняння Айнштайна Е = mc2, вони матимуть нескінченну кількість маси. Отже, їхнє гравітаційне притягання викривлятиме Всесвіт до нескінченно малого розміру.

Досить схоже позірно абсурдні нескінченності виникають і в інших часткових теоріях, але в усіх цих випадках їх можна усунути шляхом так званого перенормування, що полягає у взаємному знищенні цих нескінченостей через введення інших. Хоча цей метод досить сумнівний математично, він, здається, успішно застосовується на практиці, й отримані з його допомогою передбачення цих теорій надзвичайно точно узгоджуються з результатами спостережень. Проте з погляду пошуку повної теорії метод перенормувань має один серйозний недолік, бо він означає, що фактичні значення мас та інтенсивностей сил не можуть бути передбачені з теорії; їх доводиться підбирати шляхом припасування до експериментів.

При спробах охопити принцип невизначеності загальною теорією відносності є тільки дві величини, які можливо регулювати: гравітаційна сила і значення космологічної константи. Але їх регулювання недосить, щоб усунути всі нескінченності. Тому ми маємо теорію, яка, видається, передбачає, що деякі величини, наприклад кривина простору-часу, дійсно нескінченні, але ці величини можуть бути спостережені й виміряні, дорівнюючи цілком скінченним! Ця проблема щодо об’єднання загальної теорії відносності з принципом невизначеності деякий час піддавалась сумнівам, але врешті, 1972 року, була підтверджена детальними розрахунками. Через чотири роки запропоновано один з можливих її розв’язків, названий «супергравітацією». Ідея полягала в тому, щоб об’єднати гравітон (частинку зі спіном 2, носія гравітаційної сили) з деякими іншими частинками зі спінами 3/2, 1, 1/2 і 0. Тоді всі ці частинки в якомусь сенсі можна було б розглядати як різні сторони однієї і тієї ж «суперчастинки», об’єднуючи таким чином частинки матерії зі спінами