Черные дыры и молодые вселенные

На этих страницах я хочу обсудить вопрос, может ли конечная цель теоретической физики быть достигнута в не столь отдаленном будущем – скажем, к концу XX столетия. Под этим я понимаю возможность построить полную, гармоничную и всеобщую теорию физических взаимодействий, которая описала бы все доступные нам наблюдения. Конечно, в таких предположениях нужно быть очень осторожным. Мы уже по крайней мере дважды думали, что находимся на грани окончательного построения. В начале века верилось, что все можно понять в терминах непрерывной механики, нужно только измерить некоторые коэффициенты: упругость, вязкость, проводимость и т. п. Эти надежды были разбиты открытием квантовой механики и строения атома. В двадцатых годах Макс Борн сказал группе ученых, приехавших в Гёттинген: «Физика, как мы теперь понимаем, через полгода будет исчерпана». Это произошло вскоре после открытия Полем Дираком, предыдущим главой люкасовской кафедры, уравнения, описывающего поведение электрона. Предполагали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона – второй из двух известных тогда частиц. Однако открытие нейтрона и ядерных сил развеяло эти надежды. Теперь мы знаем, что ни протон, ни нейтрон не являются элементарными, а состоят из еще меньших частиц. Тем не менее за последние годы мы достигли большого npoгpecca, и, как я покажу дальше, есть некоторые основания для осторожного оптимизма: мы можем создать полную теорию еще при жизни тех, кто сейчас читает эти страницы.

Но даже если мы и достигнем полной теории, мы не сможем детально предсказать ничего, кроме простейших ситуаций. Например, нам уже известно, как физические законы управляют тем, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Как определил сам Дирак, его уравнение стало основой «для большей части физики и для всей химии». Однако мы можем решить это уравнение только для очень простой системы – атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Для более сложных атомов с большим числом электронов, не говоря уж о молекулах из нескольких ядер, нам остается прибегать к аппроксимациям и интуитивным догадкам сомнительной надежности. Для макроскопических систем, состоящих, например, из 1023 частиц, нам приходится прибегать к статистическим методам, и мы вынуждены расстаться со своими притязаниями на точное решение уравнения. Хотя в принципе нам известны уравнения, управляющие всеми биологическими процессами, мы не можем свести исследование человеческого поведения к отрасли прикладной математики.

Что же мы назвали бы всеобщей физической теорией? Наши попытки смоделировать физическую реальность, как правило, состоят из двух частей. Это а) множество частных законов, которым подчиняются различные физические величины, и б) множество граничных условий, которые сообщают нам о состоянии некоторых областей Вселенной в определенное время и о тех эффектах, которые распространяются затем в нее из этих областей.

Многие заявили бы, что роль науки ограничивается первой частью, и когда мы получим полный набор частных физических законов, теоретическая физика достигнет своей цели. Вопрос о начальных условиях для Вселенной они отнесли бы к области метафизики или религии. Некоторым образом это похоже на то, как в прежние века препятствовали научным изысканиям, говоря, что все природные явления – деяния Бога и не следует выяснять их причины. Думаю, что начальные условия Вселенной – такой же подходящий предмет для научных исследований и теорий, как и частные физические законы. Мы не получим завершенной теории, пока не сможем чего-то большего, чем просто сказать: «Вещи таковы, каковы они есть, потому что они были такими, какими были».

Вопрос об уникальности начальных условий тесно связан с вопросом о произвольности частных физических законов: нельзя считать теорию завершенной, если она содержит ряд регулируемых параметров и позволяет подгонять константы, которым можно задавать произвольные значения. В действительности, похоже, ни начальные условия, ни значения параметров в теории не являются произвольными, а каким-то образом очень тщательно выбираются или устанавливаются. Например, если разница масс протона и нейтрона не была бы примерно вдвое больше массы электрона, не получилось бы около двух сотен стабильных нуклидов, что уравновешивает элементы и является основой химии и биологии. Аналогично, если бы гравитационная масса протона значительно отличалась от действительной, не получилось бы звезд, в которых эти нуклиды могли бы строиться, а если бы начальное расширение Вселенной было чуть меньше или чуть больше, она бы захлопнулась до того, как эти звезды смогли развиться, или разлетелась бы так быстро, что звезды никогда бы не сформировались за счет гравитационной конденсации.