«История необыкновенного превращения за менее чем десятилетие общей теории относительности из тихой исследовательской гавани, служившей приютом горстке теоретиков, в передовой рубеж, привлекающий все больше чрезвычайно талантливых молодых людей, теперь известна всем, — писал Девитт в предисловии к протоколу встречи в Лез-Уше. — Ни один объект или концепция не олицетворяют нынешнюю стадию эволюции более полно, чем черные дыры». Встреча стала кульминацией десятилетия с момента феноменального открытия.
Эйнштейн и Эддингтон глубоко ошибались. К 1967 году признал свою ошибку даже Уиллер, согласившись с возможностью существования в природе сингулярностей, предсказанных общей теорией относительности. Решение, найденное Шварцшильдом на полях сражений Восточного фронта, и открытие, сделанное Керром жарким техасским летом, соответствовали реальным объектам. Это были настоящие конечные пункты гравитационного коллапса. Предсказанные общей теорией относительности, неотвратимые и простые, они могли творить настоящие чудеса: формировать мощные квазары и срывать со звезд газовую оболочку. Радионебо снова и снова демонстрировало дразнящее мерцание, а обнаруженный хаос рентгеновского излучения, казалось, указывал на маленькие плотные объекты. Окончательные измерения еще не были произведены, но существование черных дыр становилось неизбежностью. Делались ставки, какие из странных наблюдаемых объектов могли бы быть черными дырами. Они практически стали реальностью.
За предыдущие годы собравшиеся в Лез-Уше сформировали мнение, что обнаруженные в природе черные дыры должны быть столь же математически простыми, как решения Шварцшильда и Керра. Кроме того, Эзра («Тэд») Ньюман из Сиракьюсского университета слегка расширил решение Керра, добавив в него электрически заряженные черные дыры, поэтому в полном решении в рамках общей теории относительности черные дыры характеризуются тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Это потрясающий результат. Почему черная дыра не может с одной стороны иметь немного большую массу, подобную горе на поверхности Земли, скомпенсированную меньшей массой с другой стороны, например впадиной? Почему невозможен отступ в одну из сторон с сохранением массы? На самом деле можно себе представить черные дыры разного вида с одинаковыми массой, моментом импульса и зарядом, но каждая с собственными характеристиками. Однако математика доказала обратное, однозначно показав, что общая теория относительности не допускает подобных усложнений. Холмы выравниваются, впадины заполняются, складки разглаживаются. Черные дыры с одинаковыми массой, моментом импульса и зарядом быстро становятся совершенно одинаковыми, неотличимыми друг от друга. Уиллер описал подобное единообразие фразой «Черные дыры не имеют волос», а доказательство этого факта получило название теоремы «об отсутствии волос».
Встреча в Лез-Уше показала, что происходит, когда за решение больших проблем принимаются великие умы. Вот как вспоминает этот период Мартин Рис: «Понять сущность черных дыр пытались три большие группы: в Москве, Кембридже и Принстоне. И я всегда чувствовал среди них единомыслие». И действительно, во времена изоляции Востока и Запада их совместные встречи двигали науку вперед. Кип Торн и Стивен Хокинг посещали в Москве Зельдовича, сравнивая данные по аккреционным дискам, гравитационному коллапсу и сингулярностям. Такую же важность имели короткие и сложные поездки советских физиков на запад. Вот как вспоминал о Техасском симпозиуме 1967 года, на этот раз проводившемся в Нью-Йорке, Игорь Новиков: «Несмотря на наши отчаянные усилия собрать как можно больше информации и поговорить с как можно большим числом коллег, мы физически не могли обсудить все интересующие нас темы». Годы спустя, на встрече в Лез-Уше в 1972 году Новиков и Торн станут соавторами статьи, посвященной аккреционным дискам.
За десять лет отношение к общей теории относительности Эйнштейна изменилось. Техасский симпозиум стал регулярным мероприятием, собирая сотни астрофизиков, многие из которых считали себя релятивистами. Как сказал Роджер Пенроуз: «Я видел, как черные дыры превращаются из математической абстракции в объект, в существование которого люди действительно верят». Поколение, родившееся в золотой век общей теории относительности, занимало ведущие позиции в лучших университетах. В Великобритании Мартин Рис и Стивен Хокинг возглавили кафедры в Кембридже, Роджер Пенроуз — в Оксфорде. В Соединенных Штатах студенты Уиллера стали сотрудниками Калтеха, Мэриленда и других престижных университетов, как и ученики Зельдовича в Советском Союзе. И все это благодаря работе над общей теорией относительности. Судя по всему, теория Эйнштейна впечатляющим образом стала частью большой физики.
Глава 9.Проблемы унификации
В 1947 году только что окончивший аспирантуру Брайс Девитт встретился с Вольфгангом Паули и рассказал, что работает над квантованием гравитационного поля. Девитт не понимал, почему две великие концепции XX века — квантовая физика и общая теория относительности — существуют отдельно друг от друга. «Почему гравитационное поле пребывает в гордом одиночестве? — недоумевал он. — Почему бы не заставить его погрузиться в поток теоретической физики и подвергнуться квантованию?» Паули энтузиазма Девитта не разделял. «Это очень важная задача, — сказал он, — ею должен заняться кто-то действительно умный». Уровень интеллекта Девитта вряд ли можно подвергнуть сомнению, но более чем полвека общая теория относительности с удивительным упорством сопротивлялась его усилиям.
Общая теория относительности оставалась изолированной, демонстрируя беспрецедентную несовместимость с квантовой физикой. После Второй мировой войны интерес к квантам привел к появлению совершенно новой и мощной теории, которая свела все взаимодействия и все фундаментальные составляющие материи в простое единое целое. Все взаимодействия, исключая гравитационное. Альберт Эйнштейн и Артур Эддингтон десятилетиями пытались разработать единую теорию, но потерпели неудачу. С квантовой теорией дела обстояли по-другому. Она с ошеломляющей точностью как в Европе, так и в США была проверена экспериментами на гигантских ускорителях, став наглядным примером успешной стыковки красивых математических расчетов, талантливых умозрительных заключений и прозаических измерений.
Несмотря на эти успехи, существовал человек, отказавшийся поддерживать новую послевоенную квантовую физику. Поль Дирак считал квантовую теорию частиц и взаимодействий фикцией и образцом некорректного мышления. Это была уловка, обход фундаментальных проблем путем магического удаления нескольких бесконечных чисел. Дирак был убежден, что именно эта уловка мешает общей теории относительности во всем ее великолепии присоединиться ко всем остальным взаимодействиям.
Поль Дирак был личностью замкнутой. Высокий худой человек, практически ничего не говорящий на людях. А когда он все-таки брал на себя труд высказаться, то выражался слишком точно и предметно. Зачастую он производил впечатление болезненно застенчивого человека и предпочитал работать самостоятельно, одержимый красотой математики, которая, с его точки зрения, имела под собой реальную основу. Его работы были математической драгоценностью, а выводы из них оказывали сильное влияние на физику. Изначально он учился на инженера в Бристоле, но в начале 1920-х годов, перейдя в Кембридж, быстро зарекомендовал себя как активный сторонник недавно обнаруженных квантов. Его карьера была стремительной, он стал сотрудником колледжа Святого Джона в Кембридже, а вскоре после этого получил должность Лукасовского профессора математики, которую в XVII веке занимал Ньютон. Кембридж стал ему приютом, скрывшись в стенах которого он тем не менее имел возможность влиять на поколения физиков, а также на ряд астрофизиков и релятивистов, в 1960-х занявшихся реанимацией общей теории относительности. Под его руководством получили докторские степени Фред Хойл и Деннис Сиама, а Роджер Пенроуз присутствовал на его лекциях, восхищаясь их ясностью и точностью.
По иронии судьбы, именно его собственное фундаментальное уравнение для электрона — теперь известное как уравнение Дирака — стало первым шагом к объединению специальной теории относительности Эйнштейна и основ квантовой физики. Уравнения квантовой физики показывают, как состояние квантовой системы — например, связанных в атоме водорода электрона и протона — меняется со временем. При этом четко видна разница между пространством и временем, в то время как специальная теория относительности Эйнштейна оперирует только понятием пространства-времени. Кроме того, она объединяет общими рамками законы механики с законами, которым подчиняется свет. Поль Дирак смог поместить в эти рамки еще и законы квантовой физики. Благодаря уравнению Дирака вся физика, в том числе квантовая, стала подчиняться специальной теории относительности.
Частицы во Вселенной делятся на два типа: фермионы и бозоны. Опыт показывает, что частицы, из которых состоит материя, являются преимущественно фермионами, а вот за взаимодействия в природе отвечают в основном бозоны. К фермионам относятся строительные блоки атомов, например электроны, протоны и нейтроны. Как мы убедились при рассмотрении белых карликов и нейтронных звезд, эти частицы обладают странным свойством, вытекающим из принципа запрета Паули: в одном квантовом состоянии может находиться не более одной частицы. При попытке поместить их в одинаковое состояние они расталкиваются квантовым давлением. Фаулер, Чандра и Ландау использовали это давление, чтобы объяснить, каким образом белые карлики и нейтронные звезды поддерживают свое состояние при массах ниже критической. В отличие от фермионов, бозоны не подчиняются принципу запрета Паули и при желании могут объединяться друг с другом. Примером бозона является носитель электромагнитной силы фотон.
Выведенное Дираком уравнение описывает квантовое физическое поведение электрона, одновременно удовлетворяя специальной теории относительности Эйнштейна. Это уравнение определяет вероятность обнаружения электрона, находящего в определенной точке пространства или перемещающегося с определенной скоростью. Уравнение Дирака определяется не в отдельном пространстве, а в соответствии с требованиями специальной теории относительности, оно единообразно определено во всем пространстве-времени. Оно содержит большое количество уникальной информации об окружающем мире и фундаментальных частицах. К удивлению автора, уравнение предсказало существование античастиц. Античастица — это двойник элементарной частицы, обладающий такой же массой, но противоположным зарядом. Античастицей электрона является позитрон. От электрона он отличается только положительным зарядом. Согласно уравнению Дирака, обе эти частицы должны существовать в природе. Также уравнение предсказывает, что в вакууме могут возникать пары электрон-позитрон, появляясь, по сути, из ниоткуда. Понять это странное явление крайне сложно, особенно с учетом того, что на момент формулиро