Простая сложная Вселенная

Для облегчения этой довольно затруднительной проблемы теоретики квантовых полей придумали довольно хитрый трюк: они просто-напросто решили забыть о гравитации, полностью выведя ее из игры. И пока занимались этим, заодно изгнали из формул и бесконечности. Убрав их, сделали расчеты с тем, что осталось, и крекс-пекс-фекс!.. Сработало.

Чего стоит только нидерландский физик-теоретик Герардт Хоофт, один из удивительных, блестящих физиков-основателей такой математической операции, получивший за нее в 1999 году совместно со своим научным руководителем Мартинусом Велтманом, Нобелевскую премию по физике. Благодаря им (и некоторым другим ученым) и несмотря на математические фокусы учета бесконечностей, квантовая теория поля стала благодаря своей предсказательной способности, пожалуй, самой успешной научной теорией всех времен. Избавление от бесконечностей привело к прогнозам появления еще даже не виденных частиц, прогнозам, которые оказались верны – что касается массы или заряда частиц – с точностью до одного к 100 миллиардам. Скорее можно сказать, если бы случайно выбранный человек обладал такой способностью подсчета, он смог бы вычислить недолив среди миллиона разлитых по кружкам литров пива в баре с точностью до одной капли. Несомненно, если бы мы имели такую способность, то скандалы там происходили бы ежедневно.

Квантовые теории поля поразительно точны по своей предсказательной силе, но этот трюк заставляет нас всех расстраиваться по причинам, которые не может помочь смыть даже миллион кружек пива.

Почему происходят эти бесконечности?

Могут ли они случиться просто потому, что мы не знаем, что происходит в областях нашей Вселенной, которые даже меньше тех, что исследуют эти теории?

Возможно.

Так, во всяком случае, думал один необыкновенный американский физик. Его звали Кеннет Геддес Вильсон, и вместо того, чтобы пытаться объяснить бесконечно малые микромиры в поисках выводов о частицах, он подумал, что такие умопомрачительные масштабы и могли бы на самом деле быть проблемой: что вовсе не обязательно рассматривать всё меньшие масштабы, чтобы быть в состоянии говорить о частицах. Так же как не нужно знать об атомах, сравнивая яблоки на рынке, утверждал Вильсон – и доказал, что то, что не известно, можно оценить, классифицировать и забыть.

И это сработало – так что в 1982 году он получил Нобелевскую премию по физике.

Вильсон не решил проблему того, что происходит в бесконечно малом микромире, он просто избавился от нее. С применением правила исключений и увеличением неизвестного искажающие поле бесконечности больше не происходили.

Процедура избавления от бесконечностей называется перенормировкой. Как я уже говорил выше, она сверхэффективна для проведения расчетов. Но нельзя надеяться когда-либо понять все, просто обойдя неизвестное. Нужно погрузиться в него. Особенно это касается гравитационного поля, где перенормировка не работает.

Предметом квантовых теорий поля является содержимое Вселенной. Они весьма точны, удивительно точны, на самом деле, но только когда покидают пространство-время поодиночке, когда они фиксированы и когда гравитация не оказывает ни на что никакого влияния. Не очень реалистично.

Нужно найти способ вернуть гравитацию обратно.

Превратить ее в квантовое поле.

И как это сделать?

Квантовые теории поля утверждают, что, так как кругом существуют поля, то они могут создавать небольшие порции энергии или материи, называемые квантами.[53] Основными квантами электромагнитного поля являются элементарные частицы, обладающие наименьшим электрическим зарядом, – фотоны и электроны. Аналогичным образом, основными квантами поля сильного ядерного взаимодействия становятся кварки и глюоны, тогда как к основным квантам гравитационного поля, рассматриваемого как гипотетическое квантовое поле, относятся упомянутые ранее гравитоны.

Вы уже слышали о них в пятой части, но тогда мы их проигнорировали. Зачем же они вновь появляются здесь? Потому что мы хотим посмотреть, что с ними не то.

Так что давайте думать, что гравитация появляется из квантового поля, как и все другие виденные до сих пор поля. Тогда гравитоны становятся переносчиками взаимодействия. И если рассчитать на бумаге, как гравитоны могут повлиять на окружающую их среду, то теоретики нашли бы это влияние таким же, как у кривых пространства-времени.

На бумаге они и есть гравитация.

Весьма многообещающее начало.

Но, поразмыслив дальше, ученые поняли, что тогда эти самые кванты гравитационного поля, гравитоны, полностью провалят всю выстроенную теорию гравитации.

Не очень хорошая новость.

Почему?

Во-первых, у гравитонов нет никаких причин не взаимодействовать друг с другом: если они существуют, то обязаны подвергаться гравитации, как и все остальное, и, следовательно, воздействуют сами на себя.