Сингулярность и ее окрестности — квантовые проблемы

То, что квантовые закономерности могут играть важную роль в космологии, отнюдь не тривиальное представление. Когда говорят о Вселенной в целом, имеют в виду очень большие масштабы, в которых галактики выглядят, как пылинки. В таких масштабах обычно используется классическое описание.

Однако в космологии с Сингулярностью неизбежна такая эпоха, когда квантовые эффекты вовсе не малы: ими нельзя пренебречь ни в описании вещества, ни даже в интерпретации самого пространства-времени. Рассказ об этом придется начать немного издалека.

В физике известно множество постоянных, с помощью которых описывается поведение материи в самых различных процессах. Три из них явно выделены это скорость света в вакууме с, константа Планка ћ и гравитационная постоянная G[112].

Скорость света имеет самую прозрачную трактовку. Это просто предельная скорость распространения для любых процессов, несущих информацию.

С важнейшей константой квантовой теории ћ дело обстоит сложнее. В самых ранних вариантах квантовой механики она характеризовала минимальное действие — элементарную ячейку фазового пространства, занимаемого частицей. Фазовое пространство — это очень удобное в классической механике объединение координат и импульсов в некое единое многообразие. Однако развитие квантовой механики показало, что частица вообще не может характеризоваться одновременно измеренными координатой и импульсом, между погрешностями в их величинах всегда есть неустранимая корреляция — так называемое соотношение неопределенностей ?x. ?p ? ћ. Из-за этого описание в терминах фазового пространства оказывается лишь крайне приближенным. Кроме того, константа Планка с самого своего появления несла очень важную нагрузку, определяя, условно говоря, связь между корпускулярными и волновыми свойствами материи (например, через известные эйнштейновские выражения E = ћ?, p = ћ/? связывающие энергию и частоту, импульс и длину волны для фотона), а также определяла квант момента количества движения.

Похоже обстоит дело и с гравитационной постоянной. В ньютоновской картине все выглядело довольно просто: G считалась универсальной силовой характеристикой тяготения в соответствующем законе. В эйнштейновской картине ситуация изменилась, строго говоря, общая теория относительности описывает свободное движение вещества в искривленном пространстве-времени, а представление о силовом взаимодействии возникает лишь в Ньютоновом приближении (при с " ?). Поэтому G входит в уравнение Эйнштейна просто через коэффициент, связывающий свойства пространства-времени с распределением материи R_ik -1/2Rg_ik = - 8?G/c⁴T_ik), причем в комбинации 8?G/c4, называемой иногда эйнштейновской постоянной. Хотя общая теория относительности и усложнила интерпретацию G, но зато вывела ее в число самых фундаментальных констант природы (на одном уровне с ћ и с). Действительно, с точки зрения уравнений Эйнштейна G выглядит не просто как характеристика одного из взаимодействий, а как константа, определяющая влияние всех форм материи на структуру пространства-времени. Еще в 1899 году один из создателей квантовой теории Макс Планк (1858–1947) обратил внимание на следующее обстоятельство: из с, ћ и G можно выстроить фундаментальные постоянные с очень ясной физической размерностью: длины (l_P = ?G ћ /c³ »1,6 .10^-33 см), времени (t_P = ?G ћ /c5 » 5,4.10^–44 с) и массы (m_Р = ? ћ c /G » 2,2.10^-5 г)[113]. С их помощью все физические уравнения нетрудно привести к абсолютному масштабу, то есть сделать безразмерными. Другое дело, что единицы этого масштаба не слишком удобны в привычных для нас теориях реальный эксперимент в физике элементарных частиц и в астрофизике очень еще далек от планковских единиц. Скажем, взаимодействия элементарных частиц только сейчас начинают исследоваться на расстояниях порядка 10^–16–10^–17 см, и ясно, что до планковской области длин предстоит еще долгий и нелегкий путь[114].

Однако в космологии весьма правдоподобна гипотеза о том, что планковская область наверняка является барьером, за которым представления о пространстве-времени и о поведении вещества должны меняться самым радикальным образом. В связи с этим похоже, что с физической точки зрения Сингулярность станет псевдопроблемой, которая в последовательной квантовой теории гравитации отпадет как бы сама собой.

Такая смелая проекция наших очень поверхностных знаний о планковской области основана вот на чем.

Переходя от более или менее понятной эпохи адронного синтеза к все более ранним временам, мы попадаем в неопределенное положение. Можно, разумеется, верить, что ничего особенного в эти более ранние эпохи не происходит — вся материя остается очень концентрированным и горячим кварк-лептон-фотонным газом. Можно ожидать, что в какие-то моменты важную роль сыграют неоткрытые пока элементарные частицы. Иными словами, от вещества, сжатого до фантастически высоких плотностей, можно ожидать некоторых сюрпризов. Не исключено, что в достаточно ранние моменты кварки и лептоны окажутся далеко не столь элементарными, как они сейчас выглядят на ускорителях.

Но можно верить и в более фундаментальные изменения — структуры пространства-времени в малом. Теоретики заранее разработали несколько красивых схем квантованного пространства, где существенную роль играет новая мировая константа — фундаментальная длина l₀. На расстояниях l₀ и меньших обычные геометрические представления теряют смысл. Не ясна только пока конкретная величина l₀ — никаких ясных экспериментальных данных здесь пока не получено.

Единственное указание общетеоретического характера возвращает нас к планковскому масштабу. Очень трудно поверить, что в огромном интервале от уже исследованных расстояний до l_P с пространством-временем ничего особенного не происходит, но не исключено, что поверить придется. По элементарным оценкам гравитационное взаимодействие между частицами на расстояниях порядка l_P становится сильным, и рассматривать их движение на фоне пространства-времени с классической геометрией, скорее всего, бессмысленно.

Такого рода ситуация должна иметь место в эпоху t ~ t_P, которой соответствуют ни на что привычное не похожие температура Т_Р ~ 1,4.10³² К и плотность материи ?_P ~ 5,2.10⁹³ г/см³. Двигаться к более ранним моментам и к самой Сингулярности мы уже не имеем права — не ясно даже, как определить ось времени при t меньше t_P. Задачу о Вселенной на этом уровне необходимо ставить строго в рамках квантовой теории. И возможно, самое любопытное, что нельзя ставить эту задачу как одночастичную, ограничиваясь уникальной Вселенной. Данное требование естественно для релятивистской квантовой теории, где любые объекты рассматриваются во множественном числе, они размножаются и гибнут в актах взаимодействия. Здесь лежит дорога к пониманию рождения Вселенной в большом, если не бесконечном, наборе миров, каждый из которых реализуется с определенной вероятностью — в общем, к вещам весьма фантастическим…

По-настоящему добраться до планковской области очень и очень трудно, как и построить последовательную квантовую теорию гравитации, чему на протяжении нескольких десятилетий посвящены усилия многих физиков и математиков. Попытки в этом направлении весьма впечатляющи и в некоторых случаях ведут к интересным заключениям, но главное пока впереди.

Полезно остановиться на одном более наглядном сигнале из планковской области, связанном с проблемой интерпретации фундаментальных констант. Возвратимся к G. Мы видели, что гравитационной константе повезло меньше, чем с (скорости света), имеющей совершенно прямую и наглядную интерпретацию. Очень похоже, что такое везение не случайно, а вытекает из непосредственной принадлежности с к планковской системе единиц, где она играет роль фундаментальной скорости, ограничивающей любую скорость передачи информации.

Так вот, из G и с легко образовать новую константу:

LP = c5/2G » 1,8.10⁵⁹ эрг/с = 1,8.10⁵² Ватт,

имеющую вполне ясный смысл мощности или светимости, причем, по-видимому, предельной мощности, с помощью которой можно передать информационный сигнал[115]. Важно, что она естественно входит в планковскую систему (как фундаментальная мощность), но не содержит постоянной Планка, то есть может быть замечена в классической теории.

Простой обзор светимостей звезд, галактик и квазаров говорит нам о том, что ни один из этих объектов и близко не подходит по светимости к пределу LP. Для типичной звезды Солнца L(~ 3,8.10³³ эрг/с характерная светимость галактик и квазаров не превышает 10⁴³–10⁴⁵ эрг/с. Суммарную светимость всех галактик можно оценить величиной 10⁵⁵–10⁵⁶ эрг/с, что все еще в тысячи раз меньше LP. Иными словами, ограничительная роль новой константы выполняется с большим запасом.

Источник, обладающий светимостью LP, способен был бы генерировать за год целую большую галактику (массой около 6,4.10⁴⁵ г), а за космологический период 15 миллиардов лет массу порядка 10⁵⁶ г, что заметно превышает оценку суммарной массы галактик во Вселенной.

Ограничительная функция LP хорошо видна при оценке работы некоторого источника. Он излучает в общем случае за счет выгорания собственной массы. В процессе излучения его масса и физический радиус, разумеется, убывают, однако радиус не должен убывать быстрее, чем со скоростью света. С другой стороны, для любого наблюдаемого объекта физический радиус не может стать меньше так называемого гравитационного (Rg= 2GM/c²), который тоже убывает с досветовой скоростью. Последнее утверждение эквивалентно тому, что для светимости любого источника должно выполняться соотношение[116]: L b L_P.

Ограничения на светимость исчезают в пределе L_P " ? то есть при переходе к нерелятивистской теории (с " ?), или при выключении гравитации (G " 0). He следует ли в связи с этим понимать тяготение как универсальный физический механизм ограничения мощности любых процессов?

Пока последовательного ответа на этот вопрос нет, не построен явный пример классической теории гравитации, которая исходила бы из ограничения L b L_P столь же естественным образом, как специальная теория относительности исходит из ограничения v b с. Возможно, на пути к такой теории лежат какие-то неизвестные нам явления — все-таки пока мы наблюдаем очень малые по сравнению с L_P светимости небесных тел. И это немного напоминает ситуацию перед созданием специальной теории относительности, когда в эксперименте наблюдались скорости объектов, существенно меньшие скорости света. Только открытие электронов, которые из-за очень малой массы легко поддаются ускорению до околосветовых скоростей, дало четкие экспериментальные указания на новые механические закономерности. Не предстоит ли классической теории тяготения пройти сквозь третье рождение в связи с исследованием объектов сопоставимых по светимости с L_P?

Не исключен, конечно, и иной вариант, где роль фундаментальной светимости станет понятна лишь при учете квантовых явлений, то есть в рамках какой-то супертеории будущего, описывающей явления и в планковской области.