Стивън Хокинг
Кратка история на времето (12) (от големия взрив до черните дупки)

10. Обединението на физиката

Както обяснихме в първа глава, създаването на една завършена единна теория за всичко във Вселената с един замах е много трудно. Ето защо прогресът се постига чрез намиране на частни теории, описващи ограничен обхват от събития, и чрез пренебрегване на останалите ефекти или численото им апроксимиране. (Химията например ни позволявала изчислим взаимодействията между атомите, без да познаваме вътрешния строеж на атомното ядро.) В крайна сметка обаче ние се надяваме да намерим една завършена, състоятелна, единна теория, която да включва всички тези частни теории като приближения и която не се налага да пригаждаме към фактите, подбирайки стойности за някои произволно избрани числа в теорията. Търсенето на такава теория е известно като „обединение на физиката“. Айнщайн прекара повечето от последните си години в безуспешно търсене на единна теория, но времето не беше дошло: съществуваха частни теории за гравитацията и електромагнитната сила, но за ядрените сили се знаеше твърде малко. Освен това Айнщайн отказа да повярва в реалността на квантовата механика независимо от важната си роля в нейното създаване. И все пак, изглежда, че принципът на неопределеността е фундаментално свойство на Вселената, в която живеем. Поради това една успешна единна теория непременно трябва да включва този принцип.

Както ще опиша по-нататък, перспективите да се намери такава теория, изглежда, са вече много по-добри, тъй като вече знаем много повече за Вселената. Но трябва да се пазим от прекалена самоувереност: вече сме преживявали преждевременни радости! В началото на този век например се смяташе, че всичко може да се обясни чрез термини от свойствата на непрекъснатата материя като свойството еластичност или топлопроводимост. Откриването на строежа на атома и принципа на неопределеността постави категоричен край на това. Впоследствие, през 1928 г. физикът и Нобелов лауреат Макс Борн каза пред посетители в Гьотингенския университет: „Физиката, такава, каквато я познаваме, ще стигне до своя край за шест месеца.“ Неговата увереност се базираше на наскоро откритото от Дирак уравнение, управляващо електрона. Предположи се, че подобно уравнение би управлявало и протона, който по онова време беше единствената друга позната частица, и че това ще е краят на теоретичната физика. Откриването на неутрона и ядрените сили обаче ни нанесе поредния удар. Казвайки това, аз продължавам да вярвам, че предпоставки за умерен оптимизъм има и че може би сме достигнали края на търсенето на последните закони в природата.

В предишните глави описах общата теория на относителността, частната теория на гравитацията и частните теории, които управляват слабото, силното и електромагнитното взаимодействие. Последните три могат да се съчетаят в т.нар. теории на Великото обединение, които не са много удовлетворителни, защото не включват гравитацията и защото съдържат някои величини, като относителните маси на различните частици, които не могат да се предскажат теоретично, а се налага да бъдат подбирани така, че да съответстват на наблюденията. Основната трудност мри намирането на теория, обединяваща гравитацията с останалите сили, е, че общата теория на относителността е „класическа“ теория, т.е. тя не включва принципа на неопределеността от квантовата механика. От друга страна, останалите частни теории съществено зависят от квантовата механика. Ето защо първата необходима стъпка е да съчетаем общата теория на относителността с принципа на неопределеността. Както видяхме, това може да доведе до някои забележителни последствия, като например черните дупки да не са чак толкова черни и Вселената да няма сингулярности, а да е напълно независима и без граница. Бедата е, както обясних в глава VII, че според принципа на неопределеността дори „празното“ пространство е изпълнено с двойки виртуални частица/античастица. Тези двойки притежават безкрайно количество енергия и поради това според знаменитото уравнение на Айнщайн E = mc² ще имат и безкрайна маса. Ето защо тяхното гравитационно привличане ще изкриви Вселената до безкрайно малък размер.

И в другите частни теории се наблюдават твърде сходни, наглед абсурдни безкрайности, но във всички тези случаи те могат да се отстранят чрез процедура, наречена пренормировка. Тя е свързана с унищожаване на безкрайностите чрез въвеждане на други безкрайности. Макар този метод да е твърде съмнителен от математическа гледна точка, изглежда, че на практика действа и е бил използван в тези теории за предсказания, които изключително точно се съгласуват с наблюденията. Пренормировката обаче има един сериозен недостатък по отношение опита да намерим една завършена теория, защото означава, че действителните стойности на масите и големината на силите не могат да се предскажат от теорията, а трябва така да се подберат, че да съответстват на наблюденията.

Когато се опитваме да въведем принципа на неопределеността в общата теория на относителността, има само две величини, които трябва да се подбират: гравитационната сила и стойността на космологичната константа. Но тяхното подбиране не е достатъчно да отстрани всички безкрайности. Излиза, че разполагаме с теория, която предсказва, че някои величини, като кривината на пространство-времето, са наистина безкрайни, а тези величини могат да се наблюдават и измерват и са крайни! Този проблем при съчетаването на общата теория на относителността с принципа на неопределеността беше подозиран от известно време, но окончателно бе потвърден от подробни изчисления през 1972 г. Четири години по-късно бе предложено едно възможно решение, наречено „супергравитация“. Идеята беше да се комбинира частицата със спин 2, наречена гравитон, която пренася гравитационното взаимодействие, с някои други нови частици със спин 3/2, 1, 1/2 и 0. В известен смисъл тогава всички частици могат да се разглеждат като различни прояви на една и съща „свръхчастица“, като по този начин ще се обединят материалните частици със спин 1/2 и 3/2 с частиците, пренасящи взаимодействие със спин 0, 1 и 2. Двойките виртуални частица/античастица със спин 1/2 и 3/2 ще имат отрицателна енергия, така че ще се стремят да унищожат положителната енергия на двойките виртуални частици със спин 2, 1 и 0. По този начин ще се унищожат много от възможните безкрайности, но се подозираше, че някои безкрайности биха могли да останат. Обаче изчисленията, необходими да се установи дали остават неунищожени безкрайности, са толкова продължителни и трудни, че никой не бе готов да се заеме с тях. Предполагаше се, че дори с компютър ще отнемат поне четири години, а вероятността човек да допусне поне една грешка, а може би и повече, е твърде голяма. Така че дали отговорът ще е верен, бихме разбрали само ако още някой повтори изчисленията и получи същия отговор, а това не изглеждаше твърде правдоподобно!

Независимо от тези проблеми и от факта, че частиците от теориите за супергравитацията, изглежда, не съответстваха на наблюдаваните, повечето учени смятаха, че вероятно супергравитацията е правилното решение на проблема по обединението на физиката. Тя бе приета като най-добрия начин за обединяване на гравитацията с другите взаимодействия. През 1984 г. обаче везните натежаха в полза на т.нар. струнни теории. В тези теории основните обекти не са частици, заемащи една-единствена точка в пространството, а обекти, които имат дължина, но не и друго измерение, подобни на безкрайно тънка част от струна. Тези струни могат да имат край (т.нар. отворени струни) или да бъдат свързани сами със себе си в затворени примки (затворени струни) (фиг. 10.1 и фиг. 10.2). Една частица във всеки момент заема една точка от пространството. Така нейната траектория може да се представи с линия в пространство-времето („мирова линия“). Една струна, от друга страна, във всеки момент заема линия в пространството. Така нейната траектория в пространство-времето е двумерна повърхнина, наречена мирови слой. (Всяка точка от този мирови слой може да се опише с две числа: едното, определящо времето, а другото — положението на точката върху струната.) Мировият слой на една отворена струна е лента; нейните ръбове представляват траекториите на краищата на струната през пространство-времето (фиг. 10.1). Мировият слой на една затворена струна е цилиндър или тръба (фиг. 10.2); сечението през тръбата е кръг, представляващ положението на струната в даден момент.

Две части от струна могат да се свържат и да образуват единична струна; отворените струни просто свързват краищата си (фиг. 10.3), но когато са затворени, се получава нещо като двата крачола на панталон (фиг. 10.4). По същия начин парче от струна може да се раздели на две струни. В струнните теории това, което по-рано се приемаше за частици, сега се представя като вълни, които се движат по струната подобно на вълните по трептящата връвчица на хвърчило. Излъчването или поглъщането на една частица от друга отговаря на разделянето или свързването на струни. Гравитационната сила на Слънцето върху Земята например се представя в теориите на елементарните частици като резултат от излъчването на гравитон от частица на Слънцето и неговото поглъщане от частица на Земята (фиг. 10.5). В струнните теории този процес отговаря на тръба с профил Н (фиг. 10.6). (В известен смисъл струнните теории са нещо като водопроводно дело.) Двете вертикални части на Н отговарят на частиците в Слънцето и Земята, а напречната хоризонтална пресечка отговаря на гравитона, който се движи между тях.

Струнната теория има интересна история. Първоначално тя е изобретена в края на 60-те години при опит да се намери теория за описване на силното взаимодействие. Идеята е, че частици като протона и неутрона могат да се разглеждат като вълни по струна. Силните взаимодействия между частиците биха отговаряли на части от струна, които се вплитат между други нейни участъци подобно на паяжина. За да може тази теория да даде наблюдаваната стойност на силното взаимодействие между частиците, струните би трябвало да са като каучукови ремъци, с спъване около десет тона. През 1974 г. Жоел Шерк от Париж и Джон Шварц от Калифорнийския технологичен институт публикуваха работа, в която показаха, че струнната теория може да опише гравитационната сила, но само ако разтягането на струната е много по-голямо — приблизително 10³⁹ тона. Предсказанията на струнната теория при нормални по мащаб дължини са точно същите както при общата теория на относителността, но при съвсем малки разстояния, по-малки от 10^–33 см, те ще се различават. На работата им обаче не бе обърнато особено внимание, защото почти по същото време първоначалната струнна теория при силното взаимодействие бе изоставена и бе предпочетена теорията, основана върху кварки и глуони, която сякаш много по-добре се съгласуваше с наблюденията. Шерк загина при трагични обстоятелства (той страдаше от диабет и изпадна в кома, когато нямаше никой край него, за да му постави инжекция инсулин). Така Шварц остана почти единственият поддръжник на струнната теория, но вече при много по-висока предложена стойност за разтягане на струната.

През 1984 г. интересът към струните внезапно се възроди, очевидно по две причини. Едната, че всъщност не беше постигнат особен напредък в доказването на крайния характер на супергравитацията, нито че с нейна помощ могат да се обяснят различните видове частици, които наблюдаваме. Другата бе публикацията на Джон Шварц и Майк Грийн от колежа „Куин Мери“ в Лондон, която показа, че може би теорията на струните ще успее да обясни съществуването на частици, притежаващи присъща лява ориентация като някои от частиците, които наблюдаваме. Независимо от причината голям брой учени скоро започнаха да работят по струнната теория и бе развит нов вариант — т.нар. хетеротична струна, който сякаш щеше да обясни видовете частици, които наблюдаваме.

Струнните теории също водят до безкрайности, но се смята, че всички те се унищожават при варианти като хетеротичната струна (макар че все още не е съвсем сигурно). Струнните теории обаче се сблъскват с голям проблем: те са състоятелни само ако пространство-времето е с 10 или 26 измерения, а не с обикновените четири! Разбира се, допълнителните измерения на пространство-времето са нещо обичайно за научната фантастика; всъщност те са почти наложителни, защото иначе фактът, че относителността налага да не можем да се движим по-бързо от светлината, означава, че пътешествията до звезди и галактики ще отнемат много повече време. Научнофантастичната идея се крие в предположението, че е възможно да преминем напряко през по-високо измерение. Това може да се представи по следния начин. Приемете, че пространството, в което живеем, има само две измерения и е изкривено като повърхността на спасителен пояс или тор (фиг. 10.7). Ако сте от вътрешната страна на пръстена и искате да стигнете до точка от отсрещната страна, трябва да се движите по вътрешната обиколка на пръстена. Но ако можете да пътувате в третото измерение, просто ще пресечете.

Защо не забелязваме всички тези допълнителни измерения, ако те наистина съществуват? Защо виждаме само три пространствени и едно времево измерение? Предположението е, че останалите измерения са изкривени в пространство с много малък размер, нещо като 10³⁰ част от инча. То е толкова малко, че просто не го забелязваме; ние виждаме само едно времево измерение и три пространствени измерения, в които пространство-времето е почти плоско. Нещо като повърхността на портокал: ако я гледате отблизо, тя е обла и набръчкана, но от разстояние няма да виждате грапавините и тя ще изглежда гладка. Така е и с пространство-времето: в съвсем малки мащаби то е десетмерно и силно изкривено, но в по-големи мащаби няма да виждате кривината или допълнителните измерения. Ако тази картина е вярна, тя носи лоши новини за бъдещите космически пътешественици: допълнителните измерения ще бъдат прекалено малки, за да пропуснат космическия кораб. Тук обаче възниква друг голям проблем. Защо само някои, а не всички измерения да са свити до малка топка? Вероятно в съвсем ранната Вселена всички измерения са били изкривени. Защо едното измерение време и трите пространствени са се изгладили, докато другите са останали плътно навити?

Един възможен отговор е антропният принцип. Изглежда, че две пространствени измерения не са достатъчни за развитието на такива сложни организми като нас. Ако на едномерна земя живеят двумерни същества, те ще трябва да се прескачат, за да се разминат. Когато двумерното същество се храни, то няма да може да смели храната си напълно и ще трябва да изхвърля остатъците по същия път, по които е приело храната, защото, ако имаше канал през тялото му, той би разцепил съществото на две отделни части: нашето двумерно същество ще се раздели наполовина (фиг. 10.8). По същия начин трудно бихме си представили някакво кръвообращение в едно двумерно същество.

Ще срещнем проблеми и при пространство с повече от три измерения. Гравитационната сила между две тела ще намалява по-бързо с разстоянието, отколкото при три измерения. (При три измерения гравитационната сила спада до 1/4 с увеличаване на разстоянието два пъти. При четири измерения тя ще спадне до 1/8, при пет до 1/16 и т.н. ) В резултат на това орбитите около Слънцето на планети като Земята ще станат нестабилни: и най-малкото отклонение от кръгова орбита, причинено от гравитационно привличане на други планети, ще застави Земята да се движи по спирала към Слънцето или в обратна посока. Тогава или ще изгорим, или ще замръзнем. Всъщност зависимостта на гравитацията от разстоянието при пространство с повече от три измерения означава, че Слънцето няма да може да съществува в стабилно състояние с равновесие между налягане и гравитация. То или ще се разпадне, или ще колапсира и ще образува черна дупка. И в двата случая то вече няма да е особено полезно като източник на топлина и светлина за живота на Земята. В по-малки мащаби електрическите сили, на които се дължи обикалянето на електроните по орбити около ядрото на атома, ще имат същото поведение както гравитационните сили. Така електроните или съвсем ще се откъснат от атома, или ще се придвижат по спирала към ядрото. И в двата случая това няма да са атомите, които познаваме.

Изглежда, е ясно, че животът, поне какъвто го познаваме, може да съществува само в такива области от пространство-времето, в които времето и трите пространствени измерения не са свити до малки размери. Това значи, че можем да се обърнем към слабия антропен принцип, при условие че покажем, че струнната теория поне позволява съществуването на такива области от Вселената, а, изглежда, тя наистина позволява. Може би има и други области от Вселената или други вселени (каквото и да значи това), в които всички измерения са свити до малки размери или където повече от четири измерения са почти плоски, но в такива области не би имало разумни същества, които да наблюдават различния брой действителни измерения.

Извън въпроса за броя измерения, които, изглежда, пространство-времето има, струнната теория поставя и някои други проблеми, които трябва да се решат, преди да можем да я провъзгласим за окончателна единна теория на физиката. Все още не знаем дали всички безкрайности се унищожават взаимно, нито как точно да свържем вълните по струната с конкретния вид частици, които наблюдаваме. Въпреки това е възможно през следващите няколко години да намерим отговор на тези въпроси и към края на века да знаем дали струнната теория е наистина отдавна търсената обединена теория на физиката.

Но може ли наистина да има такава единна теория? Или просто гоним един мираж? Съществуват три възможности:

1) Действително има завършена единна теория, която някой ден ще открием, ако сме достатъчно находчиви.

2) Окончателна теория на Вселената няма. Съществува просто безкрайна поредица от теории, които все по-точно и по-точно описват Вселената.

3) Теория на Вселената няма; събитията не могат да се предскажат отвъд някаква степен, а настъпват случайно и произволно.

Някои биха пледирали в полза на третата възможност на основанието, че ако имаше една пълна система закони, това би попречило на Бог да промени решението си и да се намеси в света. Нещо като стария парадокс: може ли Бог да направи толкова тежък камък, че да не е в състояние да го вдигне? Но идеята, че Бог би желал да промени мнението си, е един пример за заблудата, отбелязана от св. Августин, представяйки Бог съществуващ във времето: времето е свойство само на Вселената, създадена от Бог. Вероятно е знаел какво има предвид, когато го е казал!

С появата на квантовата механика ние започнахме да осъзнаваме, че събитията не могат да се предвидят с абсолютна точност, а винаги има известна степен на неопределеност. Ако ви харесва, можете да припишете този случаен характер на намесата на Бог, но това би била една твърде странна намеса: няма доказателства тя да е преднамерена. И наистина, ако беше преднамерена, по дефиниция не би била случайна. Днес ние на практика сме премахнали третата възможност и сме дефинирали целта на науката: нашата задача е да формулираме група закони, която да ни позволи да предсказваме събитията само до границата, поставена от принципа на неопределеността.

Втората възможност, че съществува безкрайна поредица от все по-точни теории, се съгласува с целия ни досегашен опит. В много случаи ние сме увеличили чувствителността на нашите измервания или сме провели нови наблюдения само за да открием нови явления, които не се предсказват от съществуващата теория, и за да ги отчетем, е трябвало да развием по-съвършена теория. Тогава няма нищо чудно, ако сегашното поколение от теории на Великото обединение се окаже погрешно в твърдението си, че нищо принципно ново няма да се случи между енергията на обединеното електрослабо взаимодействие около 100 GeV и енергията на Великото обединение от около 10¹⁵ GeV. Бихме могли да очакваме да открием няколко нови пласта на структура, по-основна от кварките и електроните, които сега разглеждаме като „елементарни“ частици.

Но възможно е гравитацията да постави граница върху тази поредица от „кутии в кутии“. Ако има частица с енергия над т.нар. Планкова енергия от 10¹⁹ GeV, масата й ще бъде така концентрирана, че тя ще се откъсне от останалата Вселена и ще образува малка черна дупка. Следователно е възможно поредицата от все по-точни теории да има известна граница, когато се приближаваме към все по-високи енергии, така че би трябвало да има някаква окончателна теория на Вселената. Разбира се, Планковата енергия е много далеч от енергиите 100 ОеУ, които са максимумът, достижим в момента лабораторно. В обозримото бъдеще надали ще достигнем Планковата енергия! Най-ранните стадии на Вселената обаче са арена, където такива енергии трябва да се появяват. Според мен изследванията на ранната Вселена и изискванията на математическа състоятелност предоставят добър шанс да стигнем до завършена единна теория още приживе, при условие че преди това сами не се взривим.

Какво би значело, ако наистина открием окончателната теория на Вселената? Както беше обяснено в глава I, ние не можем никога да сме съвсем сигурни, че наистина сме открили правилната теория, тъй като теориите не могат да бъдат доказани. Но ако теорията е математически издържана и винаги дава предсказвания, които се съгласуват с наблюденията, можем да сме почти сигурни, че тя е вярна. Това би довело до края на една дълга и славна глава в историята на интелектуалната битка на човека да разбере Вселената. Но ще доведе и до революция в разбиранията на обикновения човек за законите, които управляват Вселената. По времето на Нютон бе възможно един образован човек да има представа от цялото човешко познание, поне в общи линии. Но развитието на науката оттогава насам направи това невъзможно. Тъй като теориите постоянно се променят, за да отчитат новите наблюдения, те никога не са напълно „смляни“ или опростени, така че да са разбираеми за обикновения човек. Трябва да сте специалист, а дори и тогава можете само да се надявате истински да разберете малка част от научните теории. Освен това темпът на прогрес е така бърз, че това, което учим в училище или в университета, е винаги малко остаряло. Малцина са тези в крак с бързо напредващия фронт на познанието и те трябва да отдават цялото си време на това да специализират в тясна област. Останалите имат малка представа за постигнатите успехи и радостта от тях. Преди 70 години ако трябва да вярваме на Едингтън, общата теория на относителността е била разбираема само за двама. Сега се разбира от десетки хиляди висшисти, а милиони хора са поне запознати с основната идея. Ако бъде открита една завършена единна теория, само въпрос на време е тя да бъде „смляна“ и опростена по същия начин и да се преподава в училищата поне в общи линии. Тогава ще получим известна представа за законите, които управляват Вселената и на които дължим своето съществуване.

Но дори и да открием една завършена единна теория, това няма да значи, че ще можем да предсказваме всички събития изобщо поради две причини. Първата е ограничението, наложено от принципа на неопределеността от квантовата механика върху възможностите ни да предсказваме. Няма как да го избегнем. На практика обаче това първо ограничение не е така силно като второто. То идва от факта, че не можем да решим уравненията на теорията точно, освен за някои прости случаи. (Ние дори не можем да решим точно уравнението за движение на три тела в Нютоновата теория на гравитацията, като трудността нараства с броя на телата и със сложността на теорията.)

Вече знаем законите, на които се подчинява материята при всички случаи с изключение на екстремните. По-конкретно, ние познаваме основните закони, залегнали в химията и биологията. И въпреки това съвсем не сме свели проблемите до равнището на решими задачи; все още успехите ни в предвиждане на човешкото поведение с математически уравнения са малки! Така че дори и да намерим завършена група основни закони, за следващите години пак ще остане предизвикателната за интелекта задача да разработим по-добри методи за апроксимиране, така че да можем да правим полезни предсказания за вероятния изход при сложни реални ситуации. Завършената, състоятелна единна теория е първата крачка: нашата цел е пълно разбиране на събитията, които ни заобикалят, както и на самото ни съществуване.