Пятничные чтения: «Природа пространства и времени» Стивена Хокинга

КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

В этих лекциях Роджер Пенроуз и я расскажем, как мы себе представляем природу пространства и времени. Наши точки зрения связаны, но во многом различны. Мы будем говорить поочередно, дав по три лекции каждый, после чего обсудим различие наших подходов. Хочу обратить внимание, что представленный материал рассчитан на подготовленных читателей, имеющих базовое понятие об общей теории относительности и о квантовой теории. Ричард Фейнман как-то написал короткую статью о своих впечатлениях от конференции по общей теории относительности. Думаю, это была Варшавская конференция 1962 года. По его мнению, компетенция участников была крайне низка, а их работы незначительны. В большой степени благодаря работам Роджера Пенроуза, общая теория относительности вскоре приобрела гораздо более высокую репутацию (в становление общей теории относительности основной вклад внесли американские ученые Дж. Уилер и К. Торн, а также советский ученый Я. Б. Зельдович; т. н. тетрадный формализм Ньюмена — Пенроуза (1962 г.), основанный на спинорных методах и адаптированный для случая четырехмерной лоренцевой метрики, когда вместо ортонормированного базиса выбирается изотропная тетрада, эффективен для решения некоторых задач общей теории относительности, например для алгебраически специальных пространств-времен, но широкого распространения этот метод не получил. — Прим. перев.). До этого общая теория относительности была сформулирована как беспорядочный набор уравнений в частных производных в одной координатной системе. Найдя очередное решение этих уравнений, люди бывали так рады, что не заботились об их физической интерпретации. Роджер Пенроуз ввел в рассмотрение такие современные концепции, как спиноры и глобальные методы (спиноры были введены Э. Картаном в 1913 году. — Прим. перев.). Он впервые показал, что можно обнаружить общие свойства решений, не получая решений непосредственно (помимо формализма Ньюмена — Пенроуза, для анализа уравнений Эйнштейна используются также методы координатного базиса и ортонормированного базиса, каждый из которых эффективен для определенного класса задач; оценки свойства решений уравнений Эйнштейна можно получить, к примеру, хорошо адаптировав или систему координат, или тетраду к свойствам пространства-времени (Р. М. Уолд «Общая теория относительности», 2008 г. — Прим. перев.). Его первая теорема о сингулярности познакомила меня с изучением причинной структуры (пространства-времени — Прим. перев.) и положила начало моей будущей работе о сингулярностях и черных дырах.

Что касается классической физики, то у нас с Роджером точка зрения одинакова. Однако наши подходы к квантовой гравитации и к собственно квантовой теории различны. Среди специалистов по физике частиц я считаюсь опасным радикалом, потому что признаю потерю квантовой когерентности, но по сравнению с Роджером я определенно консервативен. Я считаю, что физическая теория — это всего лишь математическая модель и, следовательно, бессмысленно спрашивать, соответствует ли она действительности (поэтому, видимо, такое сугубо теоретическое понятие, как «внутренняя гравитационная энтропия черной дыры», о которой речь пойдет ниже, названа Хокингом «открытием», тогда как на роль открытия могут, очевидно, претендовать только теории, многократно проверенные наблюдениями или экспериментально. — Прим. перев.). Единственное, что можно требовать от теории, — согласование ее прогнозов с наблюдениями. Я думаю, что Роджер в глубине душе платонист, но пусть он это решит для себя сам.

Есть модели, согласно которым пространство-время обладает дискретной структурой, однако я не вижу смысла отказываться от непрерывных моделей, коль скоро они настолько успешны. Общая теория относительности — прекрасная теория, согласующаяся со всеми наблюдениями, проведенными для ее проверки. Возможно, она потребует видоизменений на планковских масштабах, но я не думаю, что это как-то повлияет на те предсказания, которые могут быть сделаны с помощью общей теории относительности. Последняя может оказаться низкоэнергетическим пределом какой-то более фундаментальной теории, подобной теории суперструн (чаще используется термин — и мы будем его придерживаться — «теория струн», хотя в общем случае следует отличать суперструны от космических струн. — Прим. перев.), хотя, как мне кажется, возможности теории струн переоценили. Я не хочу обсуждать теорию струн по двум причинам. Во-первых, неясно, почему комбинируя гравитацию с другими полями в теорию супергравитации, не удается получить разумной квантовой теории. Слухи о гибели супергравитации ложны. То говорят, что она исчерпала себя, то мода меняется и все утверждают, что она страдает расходимостями, которые, правда, еще никто не нашел. Во-вторых, теория струн не дала никаких предсказаний, которые можно было бы проверить наблюдательно или экспериментально. А вот прямое применение квантовой теории к общей теории относительности — о чем я буду говорить в дальнейшем — уже дало два проверяемых предсказания. Первое — это рост малых возмущений во время периода инфляционного расширения Вселенной (что подтверждается наблюдениями анизотропии реликтового микроволнового фона). Второе предсказание — это тепловое излучение черных дыр, что, в принципе, тоже может быть проверено. Для последнего всего-то и нужно, что найти первичную черную дыру. К несчастью, поблизости их не очень много. Если бы мы нашли первичные черные дыры, то мы знали бы, как квантовать гравитацию.

Ни одно из этих предсказаний не изменится, окажись теория струн окончательной теорией всего на свете. Но теория струн — по крайней мере, на текущем этапе ее развития — совершенно не способна к каким бы то ни было предсказаниям, разве что апеллируя к общей теории относительности как к своему низкоэнергетическому пределу. Я подозреваю, что всегда так и будет, и в теории струн не окажется ничего такого, чего не предсказывала бы общая теория относительности или супергравитация. И тогда возникает естественный вопрос, насколько теория струн состоятельна как научная теория. Разве математической красоты и полноты достаточно для истинности теории при условии отсутствия характерных именно для этой теории наблюдательных предсказаний? Кроме того, теория струн в ее нынешнем состоянии не так уж красива и совсем не полна.

Одним словом, в этих лекциях я буду затрагивать только общую теорию относительности и сконцентрирую внимание на двух областях применения этой теории, где учет гравитации приводит, по всей видимости, к появлению некоторых особенностей, полностью отличающих гравитацию от других теорий поля. Итак, во-первых, наличие гравитационных сил должно приводить к тому, что пространство-время имеет начало и, возможно, конец. Вторая область — это открытие того, что можно назвать внутренней гравитационной энтропией, которая не является результатом т. н. крупнозернистой структуры пространства-времени. Некоторые ученые полагают, что эти два прогноза представляют собой всего лишь артефакты (то есть математические решения, не имеющие физического смысла, возникающие при несогласованных переходах от одной теоретической модели к другой. — Прим. перев.), появляющиеся в квазиклассическом приближении. Более детально, считается, что теория струн — истинная квантовая теория гравитации — «разгладит» сингулярности и определит корреляции в излучении черной дыры. Последнее же будет означать, что излучение черной дыры является тепловым только в крупнозернистом приближении. В таком случае картинка предстала бы довольно банальной: гравитация оказалась подобной любому другому полю. Я же считаю, что гравитация должна существенно отличаться от всех других полей, потому что только гравитация формирует пространство-время, в котором сама же и оперирует. Все другие поля действуют на заданном пространственно-временном фоне. Именно это свойство гравитации приводит к тому, что время должно иметь начало. Кроме того, должны существовать такие области во Вселенной, которые никто никогда не сможет наблюдать, а это, в свою очередь, приводит к концепции гравитационной энтропии как меры наших наблюдательных возможностей.

В этой — первой — лекции я сделаю обзор одной работы, в которой используются методы классической общей теории относительности. Эта работа показывает, как можно прийти к идеям, о которых я упомянул выше. Во второй и в третьей лекциях (главы 3 и 5 этой книги) я покажу, как эти идеи видоизменяются и расширяются, когда переходят в квантовую теорию. Более конкретно, во второй лекции речь пойдет о черных дырах, а в третьей — о квантовой космологии.

Продолжение читайте в книге Стивена Хокинга «Природа пространства и времени»

Читайте также:

Пять причин прочитать «Природу пространства и времени» Стивена Хокинга