Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Квантовая гравитация

Подведем итог. Физики создали и квантовую теорию поля, и общую теорию относительности с тем, чтобы объяснить силы природы как процессы, протекающие в пространстве, однако силы оказались слишком пагубными для такого представления. Доказательство можно представить в виде того, что логики называют доведением до абсурда: сделайте допущение, выясните последствия, покажите, что они неправильны, и сделайте вывод об ошибочности исходного допущения. Когда физики пытаются представлять силы пространственно — т.е. когда допускают, что Вселенная удовлетворяет эйнштейновскому принципу отделимости и отдельные места в пространстве существуют автономно, — они приписывают миру структуру, которую тот на самом деле не имеет. Частицы, пиксели, абсолютный потенциал, объективное положение — все то, что подразумевается отделимостью, на самом деле не существует. Несоответствие теории и реальности предполагает, что допущение отделимости некорректно и что физикам нужно представление, выходящее за пределы пространства.

Эти признаки нелокальности незаметны в большинстве имеющих практическую значимость ситуаций, однако их нельзя игнорировать, когда дело доходит до создания единой теории — квантовой теории гравитации. Еще в начале XX в. физики поняли, что такая теория почти неизбежно должна привести к уничтожению пространства. Грубо говоря, смешивая теорию атомов (квантовую механику) с теорией пространства (общей теорией относительности), вы ожидаете получить атомную теорию пространства. «Атом» в этом контексте означает наименьший возможный кусочек пространства, который теоретики изначально представляли в виде клетки на шахматной доске. Эти пространственные клетки в большей мере соответствуют первоначальному смыслу слова «атом», чем обычные атомы материи. Они в подлинном смысле неделимы. Не существует ничего более мелкого, чем такой атом, и внутри него нельзя определить положение, подобно тому как не имеет значения, где в точности на шахматной доске находится фигура — она может занимать клетку 9 или клетку 10, но не может быть на клетке 9³/₄. Пространственные атомы являются логическим пределом программы уменьшения, которая направляет физику со времен Древней Греции.

Первая идея о таких атомах не имела ничего общего с гравитацией как таковой и возникла из тысячелетнего противоречия между дискретным и непрерывным. Как давным-давно понял Зенон, в непрерывном очень много — очень много — места. Если попытаться заполнить его точечными частицами, отсчитывая их по одной, можно заниматься этим вечно, добавить бесконечное число частиц, а континуум все равно будет пустым. Такая структура кажется чрезмерной. Она допускает больше возможных размещений материи, чем может быть реализовано. «Континуум более богат, чем вещи, которые можно описать», — заметил Эйнштейн в письме другу в 1916 г. Это несоответствие, имевшее плохие последствия для классической теории поля, как я уже говорил в главе 2, было одной из причин, по которым физики обратились к квантовой механике. По иронии судьбы квантовая теорияполя ухудшила ситуацию еще сильнее. Эта теория предполагала, что поля колеблются спонтанно во всех масштабах, заполняют континуум бесконечным множеством волн и порождают силы, которые совершенно не поддаются контролю.

Чтобы восстановить порядок, многие физики высказывали в 1930-х гг. идею о том, что поля не могут колебаться ниже определенного порогового масштаба. Вернер Гейзенберг, в частности, подозревал практически с момента возникновения квантовой механики, что континуум должен распадаться в субатомных масштабах. Он предложил похожее на шахматную доску пространство, названное им Gitterwelt, или «решетчатый мир». Однако эта идея самоуничтожилась. Линии решетки давали преимущества одним направлениям перед другими, поэтому пространство должно было казаться разным для движущегося и неподвижного наблюдателя, нарушая симметрию теории относительности. В конце 1940-х гг. физики вернули континуум. Бесконечные количества, рассудили они, указывают просто на то, что пока еще неизвестные поля действуют в малых масштабах. Дополняя набор полей, можно создать внутренне непротиворечивую картину электрических, магнитных и ядерных сил.

Другое дело — гравитация. Она ведет себя ненормально в крошечных масштабах, и в начале 1970-х гг. теоретики поняли, что никакое дополнение не поможет взять ее под контроль. Иначе говоря, континуум в конце концов рассыпается. Обычно за уровень, где это происходит, называемый масштабом Планка, принимают не просто крошечный масштаб, а такой, который по отношению к обычному атому вещества равноценен отношению размера вашего тела к размеру изученной Вселенной. Никакой микроскоп или ускоритель частиц, созданный руками человека, не позволяет увидеть этот планковский неуловимый процесс. Тем не менее косвенно он проявляется в том смысле, что эмпирически подтвержденные теории перестают работать не иначе как из-за разрушения пространства на этом уровне.

Что в точности происходит, остается довольно загадочным. Пространство может быть больше похожим не на шахматную доску, а на акварель, где мазки накладываются друг на друга, размывая объект без создания четкого решетчатого образа. Такая структура нарушает локальность в буквальном смысле, поскольку пропадает возможность четкой локализации объектов. Еще важнее то, что одно тянет за собой другое. Нельзя изменить какой-то один аспект пространства — поделить на крошечные кусочки, не меняя многое другое для сохранения непротиворечивости поведения. Потенциальные объединители физики рисуют субатомную страну чудес, которую человеку едва ли под силу понять.

В предлагаемых квантовых теориях гравитации все фантастические свойства, которыми наделяют квантовые частицы, относятся и к пространству. Если частицы могут одновременно существовать в нескольких местах, подобно коту Шрёдингера, который одновременно и жив, и мертв, то пространство способно иметь множество форм. Теперь пространство вообще не имеет формы — это просто размытая возможность, а положение становится неопределимым. Причинно-следственная ткань вот-вот распадется. Сторонники теории струн, которые выводят свойства субмикроскопического пространства из поведения населяющих его петель энергии, полагают, что такие понятия, как «размер» и «измерение», становятся зыбкими. При сжатии струны она достигает определенного минимального размера и начинает опять расширяться, как шар, который при сдавливании в одном месте расширяется в другом, за исключением того, что это другое — совершенно новое измерение пространства. «Обычные представления о пространстве-времени просто несправедливы для теории струн», — говорит Джо Полчински.

Короче говоря, локальность перестает работать во всех смыслах. Вместе с тем эти штучки происходят на уровне масштаба Планка или близко к нему. Если взять общую картину, то с пространством все в порядке. Триллионы триллионов пространственных атомов складываются в единое цельное пространство. Эти атомы взаимно независимы, поэтому правило локальности выполняется — каждая часть пространства существует независимо. По крайней мере таково традиционное представление.