Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует
Шрифт:
Это приводит к загадке. Энтропия есть мера хаотичности, а хаотическое движение есть теплота. Так что же, чёрная дыра должна иметь также и температуру? Годом позже, в 1974 году, Стивен Хокинг смог показать, что чёрная дыра на самом деле должна иметь температуру. Он также смог установить точный коэффициент пропорциональности между площадью горизонта чёрной дыры и её энтропией.
Есть и другая сторона предсказанной Хокингом температуры чёрных дыр, которая будет важна для нас позднее, и которая заключается в том, что температура чёрной дыры обратно пропорциональна её массе. Это означает, что чёрные дыры ведут себя не так, как привычные объекты. Чтобы нагреть большинство вещей, вы должны подвести к
32
Фактически, это общее свойство систем, связанных друг с другом гравитацией, таких как звёзды и галактики. Всё это системы, которые охлаждаются, когда к ним подводится энергия. Это фундаментальное отличие между системами с гравитацией и без неё оказалось большим камнем преткновения для многих попыток по объединению физики.
Эта головоломка с тех пор бросает вызов каждой попытке создать квантовую теорию гравитации: как мы можем объяснить температуру и энтропию чёрных дыр из первых принципов? Бекенштейн и Хокинг трактовали чёрную дыру как классический фиксированный фон, внутри которого двигались квантовые частицы, и их аргументы базировались на состоятельности известных законов. Они не описывали чёрную дыру как квантовомеханическую систему, поскольку это может быть сделано только в квантовой теории пространства-времени. Так что для любой квантовой теории гравитации является вызовом необходимость дать более глубокое понимание энтропии Бекенштейна и температуры Хокинга.
В следующем году Хокинг нашёл ещё одну загадку, прятавшуюся в указанных результатах. Поскольку чёрная дыра имеет температуру, она будет излучать как горячее тело. Но излучение уносит энергию от чёрной дыры. После достаточного количества времени вся масса чёрной дыры перейдёт в радиацию. Раз она теряет энергию, чёрная дыра становится легче. И вследствие только что обсуждённого мной свойства, когда она теряет массу, она нагревается, так что излучает быстрее и быстрее. В конце этого процесса чёрная дыра уменьшится до планковской массы, и потребуется квантовая теория гравитации, чтобы предсказать окончательную судьбу чёрной дыры.
Но какова бы ни была её окончательная судьба, возникает загадка относительно судьбы информации. В течение жизни чёрной дыры она втягивает гигантское количество вещества, переносящего гигантское количество внутренней информации. В конце же всё, что останется, это много горячей радиации, — которая, будучи хаотичной, не переносит информации совсем, — и микроскопическая чёрная дыра. Информация просто исчезла?
Это проблема для квантовой гравитации, поскольку в квантовой механике имеется закон, который говорит, что информация никогда не может быть разрушена. Квантовое описание мира предполагается точным, а отсюда вытекает, что, когда все детали приняты во внимание, информация не может быть потеряна. Хокинг сделал сильное утверждение, что испаряющаяся чёрная дыра теряет информацию. Это кажется противоречащим квантовой теории, так что он назвал это утверждение информационным парадоксом чёрной дыры. Любая предполагаемая квантовая теория гравитации нуждается в его разрешении.
Эти открытия 1970-х были контрольными точками на пути к квантовой теории гравитации. С тех пор мы измеряли успех подхода к квантовой гравитации частично тем, насколько хорошо он отвечает на заданные вопросы по энтропии, температуре и потере информации в чёрных дырах.
Примерно в это время была, наконец,
Я присутствовал на одной из первых презентаций, когда-либо дававшихся по этой новой теории. Это была конференция в 1975 году в Цинциннати по развитию ОТО. Я был всё ещё студентом в Хэмпширском колледже, но я ходил всюду, надеясь узнать, о чём люди думали. Я помню некоторые прекрасные лекции Роберта Героха из Чикагского университета, который был тогда звездой в области математики бесконечных пространств. Он получил продолжительные овации за одну особенно элегантную демонстрацию. Тогда же было задвинутое в самый конец конференции сообщение молодого постдока по имени Петер ван Ньювенхёйзен. Я вспоминаю, что он изрядно нервничал. Он начал со слов, что он находится здесь, чтобы ввести качественно новую теорию гравитации. Он полностью завладел моим вниманием.
Ван Ньювенхёйзен сказал, что эта новая теория основана на суперсимметрии, тогда новой ещё идее по унификации бозонов и фермионов. Частицы, которые мы получаем из квантования гравитационных волн, называются гравитонами, и они являются бозонами. Но для суперсимметричной системы должны быть как бозоны, так и фермионы. ОТО не имеет фермионов, так что новые фермионы должны быть гипотетически суперпартнёрами гравитонов. «Сгравитон» не лёгкое для произношения слово, так что они были названы гравитино.
Поскольку гравитино никогда не наблюдались, он сказал, что мы свободны в придумывании законов, которым они удовлетворяют. Для теории, которая симметрична относительно суперсимметрии, силы не должны изменяться, когда гравитино заменяются на гравитоны. Это устанавливает много ограничений на законы, и поиск решений с такими ограничениями требует недель кропотливых вычислений. Две команды исследователей финишировали почти одновременно. Ван Ньювенхёйзен был частью одной из этих команд; другая включала моего будущего консультанта в Гарварде Стэнли Дезера, который работал с одним из открывателей суперсимметрии, Бруно Зумино.
Ван Ньювенхёйзен также говорил о более глубоком способе подумать о теории. Мы начинаем с размышлений о симметриях пространства и времени. Свойства обычного пространства остаются неизменными, если мы вращаемся, поскольку в нём нет предпочтительного направления. Они также остаются неизменными, если мы движемся от места к месту, поскольку геометрия пространства однородна. Таким образом, трансляции и вращения являются симметриями пространства. Вспомним, что в главе 4 я объяснял калибровочный принцип, который устанавливает, что при некоторых обстоятельствах симметрия может диктовать законы, которым удовлетворяют силы. Вы можете применить этот принцип к симметриям пространства и времени. Результатом будет в точности ОТО Эйнштейна. Это не тот путь, каким Эйнштейн нашёл свою теорию, но если бы Эйнштейна не существовало, этим путём ОТО могла бы быть найдена.
Ван Ньювенхёйзен объяснил, что суперсимметрия может рассматриваться как углубление симметрий пространства. Это происходит вследствие глубокого и красивого свойства: Если вы заменяете все фермионы на бозоны, а затем заменяете их назад, вы получаете тот же самый мир, который был до замены, но со всеми вещами, сдвинутыми на маленький кусочек в пространстве. Я не могу здесь объяснить, почему это верно, но это говорит нам, что суперсимметрия некоторым образом фундаментально связана с геометрией пространства. Как следствие, если вы примените калибровочный принцип к суперсимметрии, вы получите теорию гравитации — супергравитацию. С этой точки зрения супергравитация значительно глубже ОТО.