Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - [44]

Связь между общей теорией относительности и квантовой механикой

Один из наиболее важных аспектов открытия Хокингом излучения и рождения частиц на чёрных дырах – то, как происходит этот процесс. Чёрная дыра ведёт себя как нагретый объект, находящийся в равновесии с окружающей средой. Хокинг показал, что спектр излучения чёрных дыр описывается формулой, которую получил Планк для излучения нагретых тел. Если учесть, что формула Планка относится к области квантовой механики, а чёрные дыры описываются общей теорией относительности, то таким образом впервые устанавливается связь между основными теориями. Пока ещё всё значение этой связи ясно не до конца, но сама по себе она весьма привлекательна, и возможно, в конце концов удастся установить взаимосвязь между этими теориями, а может быть, и добиться их объединения.

Резюмируя, можно сказать, что для нас чёрные дыры очень важны как средство достижения поставленной цели – создания единой теории. Именно здесь отказывает общая теория относительности и намечается возможная связь с квантовой теорией. Однако чёрные дыры важны и с другой точки зрения. В следующей главе мы увидим, что Вселенная родилась примерно 18 миллиардов лет назад в результате колоссального взрыва. Предполагается, что центром взрыва явилась сингулярность того же типа, что и в чёрной дыре. Мы увидим, что между явлениями в ранней Вселенной и процессами, протекающими при испарении чёрных дыр, имеется неожиданное сходство.

Глава 6 Ранняя вселенная

Итак, чем ближе к находящейся в чёрной дыре сингулярности, тем хуже работает общая теория относительности. Теперь нам предстоит убедиться, что ранняя Вселенная сама вполне могла быть сингулярностью, а значит, и для неё общая теория относительности не годится.

Мы живём в расширяющейся Вселенной, которая, согласно теории Большого взрыва, возникла примерно 18 миллиардов лет назад в результате взрыва невообразимой силы. В первые мгновения после взрыва не было ни звёзд, ни планет, ни галактик – ничего кроме частиц, излучения и чёрных дыр. Короче говоря, Вселенная находилась в состоянии полнейшего хаоса со столь высокой энергией, что частицы, обладавшие гигантскими скоростями, сталкивались практически непрерывно. Это был по сути колоссальный ускоритель частиц, намного мощнее тех, которые построены в наши дни.

Теперь учёные строят всё более и более мощные установки, чтобы разобраться, как взаимодействуют высокоэнергетичные частицы. Но крупные ускорители очень дорогостоящи, а на их строительство уходят годы. Поэтому некоторые особенно нетерпеливые учёные обратились к ранней Вселенной. Её в шутку называют «ускорителем для бедных», хотя это и не самое удачное название. Если бы нам пришлось строить ускоритель на такие характерные для ранней Вселенной энергии, он протянулся бы до ближайших звёзд.

Раз уж строительство такой установки нам не по плечу, то взяв за образец раннюю Вселенную или, по крайней мере, её модель, можно попытаться понять, что происходит при столь больших энергиях.

Но чем вызван интерес к явлениям, происходящим при таких энергиях? Прежде всего тем, что они помогают понять природу фундаментальных частиц, а также фундаментальных взаимодействий. Установление связи между ними существенно для уяснения взаимозависимости космических явлений, а согласно современным теориям понимание связи между фундаментальными взаимодействиями может пролить свет на процессы в ранней Вселенной. Возникает, например, вопрос: почему фундаментальных взаимодействий четыре, а не одно, что казалось бы более естественным? Такой же вопрос можно задать и о фундаментальных частицах.

Конечно, одна фундаментальная сила и одна фундаментальная частица значительно упростили бы описание Вселенной. Как мы увидим, возможно, она именно так и устроена. Согласно появившимся недавно теориям, при энергиях, характерных для ранней Вселенной, все четыре фундаментальных взаимодействия были слиты воедино. По мере расширения и остывания Вселенной, видимо, происходило разделение сил; как при понижении температуры замерзает вода, так, возможно, из единой силы могло «вымерзти» тяготение, оставив остальные три. Вскоре «вымерзло» слабое взаимодействие, и, наконец, разделились сильное и электромагнитное. Если такая идея верна и при высоких энергиях действительно происходит объединение, исследование ранней Вселенной представляет исключительный интерес. Теперь, прежде чем заняться событиями первых секунд после взрыва, посмотрим, какие есть свидетельства того, что такой взрыв действительно произошёл.

Открытие расширения Вселенной

Как ни странно, человек, который был косвенно причастен к открытию расширения Вселенной, умер, так и не узнав об этом. Впрочем, даже если бы он дожил до этого открытия, то скорее всего не обратил бы на него внимания, ведь его не интересовали ни звёзды, ни галактики (которые, кстати, в то время ещё не были обнаружены). Этого человека звали Персиваль Ловелл, и интересовали его лишь планеты, в особенности Марс.

До 35-летнего возраста Ловелла мало волновала астрономия. Но стоило ему увидеть первые рисунки Марса, сделанные астрономом-любителем Джованни Скиапарелли, как они полностью завладели его воображением. На рисунках были видны «каналы», которые вполне могли оказаться следами разумной жизни. Ловелл так заинтересовался Марсом, что в начале 90-x годов XIX века решил организовать специальную обсерваторию для его наблюдений и отправился на западное побережье американского континента в поисках наиболее ясного ночного неба. Такое место он нашёл в Аризоне, у города Флагстаф, где через несколько лет на холме выросла обсерватория.