Теория Дирака также предсказывала, что у электрона должна быть частица-двойник – антиэлектрон, или позитрон. Открытие позитрона в 1932 году подтвердило теорию Дирака и принесло ему Нобелевскую премию по физике 1933 года. Теперь мы знаем, что у каждой частицы есть своя античастица, и при взаимодействии они могут аннигилировать (взаимно уничтожиться). (Античастицами носителей взаимодействий являются сами эти частицы.) Из античастиц могут состоять целые антимиры и даже антилюди. Но если вы встретите свою «антисущность», ни в коем случае не пытайтесь пожать друг другу руки! Вы оба исчезнете в сильной вспышке света.
================================================================================
Почему кварков намного больше, чем антикварков? Почему их количества не одинаковы? Тот факт, что мера вещества не равна мере антивещества, безусловно, пошел нам на пользу: если бы кварков и антикварков было поровну, почти все они взаимно аннигилировали бы еще в ранней Вселенной. А значит, она оказалась бы заполнена излучением и практически не содержала бы вещества. Не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, на которых могли бы возникнуть жизнь и человек. К счастью, теории великого объединения в состоянии объяснить, почему во Вселенной сейчас больше кварков, чем антикварков, даже если в начале одни не доминировали над другими. Как мы уже знаем, теории великого объединения допускают возможность превращения кварков в антиэлектроны при высоких энергиях. Эти теории также предусматривают обратные процессы, в результате которых антикварки преобразуются в электроны, а электроны и антиэлектроны – в антикварки и кварки. На самых ранних этапах существования Вселенной температура – а стало быть, и энергия частиц – была достаточно высока для таких превращений. Но почему в результате кварков оказалось больше, чем антикварков? Причина в том, что физические законы не совсем одинаковы для частиц и античастиц.
================================================================================
Термин «черная дыра» появился сравнительно недавно. Его придумал в 1969 году американский ученый Джон Уилер, чтобы наглядно проиллюстрировать идею почти двухсотлетней давности. Тогда существовали две теории света: согласно одной из них – и ее придерживался Ньютон – свет состоит из частиц, а согласно другой – из волн. Теперь-то мы знаем, что обе теории [в определенном приближении] верны. В силу принципа корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике свет можно рассматривать как поток частиц и как поток волн. В рамках теории, понимающей свет как череду волн, сложно было объяснить, как он должен откликаться на гравитацию. Но если считать, что свет состоит из частиц, есть все основания полагать, что сила тяготения воздействует на эти частицы точно так же, как, например, на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала люди считали, что частицы света движутся с бесконечной скоростью, и в этом случае сила тяготения не способна затормозить их. Но однажды Оле Рёмеру удалось измерить скорость света и установить, что она конечна, а это означало, что влияние силы тяжести на свет может быть существенным [17] .
================================================================================
Чтобы понять, как может образоваться черная дыра, сначала следует разобраться с жизненным циклом звезды. Звезда рождается, когда большое количество газа (в основном водорода) сжимается и обрушивается на себя (коллапсирует) под действием собственного тяготения. По мере сокращения облака атомы газа все чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со все более высокими скоростями, и газ нагревается. В какой-то момент он становится настолько горячим, что сталкивающиеся атомы водорода перестают отскакивать друг от друга и начинают «срастаться», образуя атомы гелия. Выделяемое при этой реакции тепло, подобное тому, которое выделяется при взрыве водородной бомбы, как раз и заставляет звезду светиться. Это дополнительное тепло также приводит к увеличению давления до уровня, достаточного, чтобы уравновесить гравитационное притяжение, и сжатие газа прекращается. Ситуация немного напоминает происходящее внутри воздушного шара: в его случае мы имеем дело с равновесием между внутренним давлением воздуха, стремящимся раздуть шар, и натяжением резиновой оболочки, которая стремится сжать его. Звезды могут поддерживать такого рода стабильность в течение долгого времени – пока тепло, выделяемое в ходе термоядерных реакций, уравновешивает гравитационное притяжение. Однако рано или поздно звезда исчерпывает свои запасы водорода и другого ядерного топлива. Парадоксальным образом, чем больший запас топлива звезда имеет в начале своей эволюции, тем быстрее он подходит к концу. Дело в том, что чем массивнее звезда, тем горячее должны быть ее недра, чтобы уравновесить гравитационное притяжение [вышележащих слоев]. А чем горячее недра звезды [и чем быстрее происходят в них термоядерные реакции синтеза], тем быстрее заканчиваются запасы термоядерного топлива. Топливных запасов нашего Солнца хватит еще примерно на пять миллиардов лет, но более массивные звезды успевают исчерпать свои резервы всего за каких-то сто миллионов лет, а это намного меньше возраста Вселенной. Использовав запас термоядерного топлива, звезда начинает остывать, и сила тяготения берет верх над давлением, заставляя звезду сжиматься. Понимание последующей эволюции звезды пришло лишь в конце 20-х годов XX века.
================================================================================
В 1928 году Субраманьян Чандрасекар, выпускник индийского университета, отправился в Англию, чтобы продолжить обучение в Кембридже у британского астронома сэра Артура Эддингтона – специалиста по общей теории относительности. (Рассказывали, что в начале 1920-х годов журналист сообщил Эддингтону, будто слышал, что всего три человека в мире понимают общую теорию относительности. Эддингтон задумался, а потом сказал: «Я пытаюсь понять, кто же третий».) На пути из Индии Чандрасекар рассчитал, насколько большой может быть звезда, чтобы при этом удерживаться от сжатия под действием собственного тяготения, исчерпав все имеющиеся запасы топлива. Идея состояла в следующем: когда звезда сжимается до малых размеров, частицы ее вещества оказываются очень близко друг к другу и, согласно принципу запрета Паули, они должны иметь сильно различающиеся скорости. По этой причине частицы стремятся разлететься и тем самым заставляют звезду расширяться. Таким образом, звезда способна сохранять постоянный радиус благодаря равновесию между гравитационным притяжением и отталкиванием, вызванным принципом запрета, аналогично тому, как на предыдущем этапе тяготение уравновешивалось теплом.
================================================================================
Наконец, когда звезда сожмется до определенного критического радиуса, гравитационное поле на ее поверхности окажется чрезвычайно сильным и выгнет траектории лучей света так, что те больше не смогут покинуть звезду (рис. 6.1). Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света. И раз свет не может покинуть звезду, это также невозможно и для любого другого объекта – он неминуемо будет втянут обратно гравитационным полем. Таким образом в результате этих событий образуется область пространства-времени, из которой ничто не может выйти – и достичь удаленного наблюдателя. Эта область называется черной дырой. Внешняя граница черной дыры называется горизонтом событий, и она совпадает с траекториями лучей света, которые только что тщетно пытались покинуть эту область.
================================================================================
Горизонт событий – граница области в пространстве-времени, за пределы которой невозможно выйти, – действует как своего рода полупроницаемая мембрана вокруг черной дыры: разнообразные объекты, вроде неосмотрительных астронавтов, могут падать сквозь горизонт событий в черную дыру, но ничто не может покинуть ее сквозь горизонт событий. (Напомним, что горизонт событий – это пространственно-временная траектория света, который стремится покинуть черную дыру. При этом ничто не может двигаться быстрее света.) Горизонт событий можно описать словами Данте о вратах ада: «Оставь надежду, всяк сюда входящий». Кто бы ни попал и что бы ни попало за горизонт событий, ему суждено вскоре достичь области бесконечной плотности, где кончается время.
================================================================================
То обстоятельство, что черные дыры способны излучать, по-видимому, означает, что гравитационный коллапс не так уж и необратим и бескомпромиссен, как считалось раньше. Если астронавт упадет в черную дыру, масса дыры возрастет, но энергетический эквивалент дополнительной массы в конце концов возвратится во Вселенную в виде излучения. Таким образом, в некотором смысле астронавт получит вторую жизнь. Правда, это будет не очень-то приятная форма бессмертия, потому что личные представления астронавта о времени почти наверняка потеряют актуальность, когда его тело разорвет на части внутри черной дыры! Даже типы частиц, впоследствии излученных черной дырой, будут в целом отличаться от тех, из которых состоял астронавт, – от него останется лишь масса или энергия.
================================================================================
Мало кто станет оспаривать справедливость и полезность слабого антропного принципа. Некоторые мыслители однако пошли дальше, предложив сильную его версию. В согласии с этой теорией существует либо множество разных вселенных, либо в пределах одной вселенной имеется множество разных областей, каждая с индивидуальной начальной конфигурацией и индивидуальным набором законов природы. Условия в большинстве этих областей не совместимы с возникновением сложных организмов, и только в небольшом числе вселенных, похожих на нашу, рождаются разумные существа и в свое время задают вопрос: «Почему Вселенная такова, какой мы ее видим?» Ответ прост: если бы она была иной, нас бы в ней не было!
================================================================================
Если действовать осторожно, воду можно «переохладить»: ее температуру можно опустить ниже точки замерзания (0 °С) так, что она не превратится в лед. По догадке Гута, вселенная могла вести себя похожим образом: ее температура могла опуститься ниже критического значения без нарушения симметрии между разными видами взаимодействия. Если бы это произошло, вселенная оказалась бы в неустойчивом состоянии с большей энергией, чем в случае нарушения симметрии. Можно доказать, что эта избыточная энергия проявила бы себя как антигравитация, – она действовала бы как космологическая постоянная, введенная Эйнштейном в общую теорию относительности при попытке построить статическую модель вселенной. Поскольку вселенная в этот момент расширялась по модели горячего Большого взрыва, вызванный космологической постоянной эффект отталкивания должен был привести к ускоренному расширению. Вызванное эффективной космологической постоянной отталкивание – даже в областях с повышенной концентрацией частиц вещества – оказалось бы сильнее гравитационного притяжения этого вещества. Таким образом, эти области тоже расширялись бы с инфляционным ускорением. В результате их расширения и разбегания частиц мы получили бы расширяющуюся вселенную в переохлажденном состоянии, в которой вещество практически отсутствует. Любые неоднородности во вселенной должны были выровняться в результате расширения, подобно тому как морщинки на воздушном шаре разглаживаются, когда мы надуваем его. Таким образом, из множества неоднородных начальных состояний могло получиться современное – однородное и единообразное.
================================================================================
Идея о том – и это важно отметить, – что пространство и время конечны, но при этом не имеют границ, есть гипотеза: ее нельзя вывести из какого бы то ни было другого принципа. Как и любую другую научную теорию, ее можно выдвинуть из чисто эстетических или метафизических соображений, но подлинной проверкой являются предсказания на ее основе, которые согласуются с наблюдениями.
================================================================================
Но, как я отметил выше, прикладное значение теорем о сингулярностях в другом: они показали, что гравитационное поле должно быть настолько сильным, чтобы нельзя было более пренебрегать квантовыми эффектами. Это, в свою очередь, привело меня к мысли, что в мнимом времени вселенная может быть конечной, но не иметь границ и сингулярностей. При переходе к действительному времени, в котором мы существуем, сингулярности все же появляются. Бедного астронавта, падающего в черную дыру, ждет печальный конец. Он не встретил бы никаких сингулярностей, только если бы жил во мнимом времени.
================================================================================
Тот факт, что осколки разбитых чашек не склеиваются на полу и не запрыгивают обратно на стол, объясняют как следствие второго начала термодинамики: беспорядок, или энтропия, в любой замкнутой системе со временем только увеличивается. То есть это одна из форм закона Мерфи: все, что может пойти не так, пойдет не так! Нетронутая чашка на столе находится в упорядоченном состоянии, разбитая чашка на полу – это состояние беспорядка. Переход от чашки на столе в прошлом к разбитой чашке в будущем представить легко, а обратный процесс – невозможно.
Возрастание беспорядка, или энтропии, со временем – это один из примеров так называемой стрелы времени – того, что отличает прошлое от будущего и тем самым задает направление событиям. Существуют как минимум три разновидности стрел времени. Во-первых, термодинамическая. Это направление времени, относительно которого возрастает энтропия. Во-вторых, выделяют психологическую стрелу времени. Это направление, в котором протекает время по нашим ощущениям, в согласии с ним мы помним прошлое, а не будущее. И наконец, есть космологическая стрела времени. Ориентируясь на нее, говорят, что Вселенная скорее расширяется, чем схлопывается.
================================================================================
Отсюда, похоже, следует невозможность как молниеносных космических полетов, так и путешествий назад во времени. Но выход – не исключено – все же есть. Есть вероятность, что можно искривить пространство-время таким образом, чтобы сократить путь от A до B. Например, проложить тоннель, или кротовую нору, между этими событиями. Как ясно из названия, кротовая нора представляет собой узкий проход в пространстве-времени, соединяющий две удаленные друг от друга, почти плоские области.
Длина этого прохода не должна соотноситься с расстоянием между его конечными точками в почти плоском пространстве. Так что вполне можно представить себе, что мы нашли или создали кротовую нору, соединяющую окрестности Солнечной системы и альфу Центавра. Длина этой норы может составить всего несколько миллионов километров, тогда как в привычном пространстве Землю и альфу Центавра разделяют сорок миллионов миллионов километров. Таким образом, новость о 100-метровом забеге может успеть к открытию конгресса. Но в этом случае наблюдатель, движущийся к Земле, должен найти и другую кротовую нору, через которую он успеет вернуться с заседания Конгресса на альфе Центавра обратно на Землю еще до начала забега. Таким образом, кротовые норы, как и любой другой способ перегнать свет, позволят также путешествовать в прошлое.
================================================================================
Примерно понятно, почему нас не одолевают толпы туристов из будущего, но повисает вопрос: как избежать проблем, возникающих, если кто-то сможет вернуться в прошлое и изменить ход событий? Предположим, например, что вы попали в прошлое и убили своего прапрадеда, когда тот был еще мальчиком. Существует множество вариантов этого парадокса, но все они, в сущности, сводятся к одному и тому же: возможность изменять прошлое ведет к противоречиям.
================================================================================
Но в 1984 году симпатии научного сообщества замечательным образом изменились: многие стали склоняться в пользу теории струн. Базовыми сущностями в ней являются не частицы – точки в пространстве, – а объекты, имеющие длину, но не имеющие других измерений, подобно бесконечно тонкому отрезку струны. У них могут быть концы (так называемые открытые струны), но они могут замыкаться сами на себя, образуя петли (замкнутые струны) (рис. 11.1 и 11.2). В любой момент времени частица занимает в пространстве одну точку, и ее историю можно представить в виде линии в пространстве-времени («мировой линии»). В отличие от нее, струна в каждый момент времени представляет собой линию в пространстве. Так что ее история в пространстве-времени выглядит как двумерная поверхность, так называемый мировой лист. (Любая точка на таком мировом листе задается двумя числами: одно из них определяет время, а другое – положение точки на струне.) Мировой лист открытой струны имеет вид ленты – ее края обозначают пути концов струны в пространстве-времени (рис. 11.1). Мировой лист замкнутой струны имеет вид цилиндра, или трубы (рис. 11.2): в сечении трубы находится круг, который отображает положение струны в конкретный момент времени.
================================================================================
Но если мы все же построим полную теорию, то она со временем должна стать понятна – если не касаться частностей – всем, не только ученым. И тогда мы – философы, ученые и обычные люди – сможем принять участие в дискуссии о том, почему существует Вселенная и почему существуем мы сами. Если мы найдем ответ на этот вопрос, это ознаменует триумф человеческого разума: ведь мы поймем, чего хочет Бог.