Аманда Гефтер - На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

И я нажала «отправить».

Фил сразу же прислал ответ по электронной почте. Он пояснил, что тема антропного принципа уже поднималась на страницах журнала Scientific American , но их заинтересовала история с Фотини Маркопулу.

– Что вы знаете о петлевой квантовой гравитации? – спросил он.

Что я знала о петлевой квантовой гравитации? Чуть больше чем ничего. Я позвонила отцу и прочитала ему письмо.

– Ну, хорошо, – сказал он. – Ты все-таки попыталась.

– Попыталась? – возразила я. – Игра только начинается. Это был пробный выстрел!

– Ладно, но…

– У нас всего одна ночь, чтобы разобраться, что такое петлевая квантовая гравитация.

– Ты шутишь, – сказал он. – Почему одна ночь?

– Если я не напишу ответ завтра, то будет казаться, что я взяла тайм-аут, чтобы разобраться с этим. А все должно выглядеть так, будто я знаю про нее в совершенстве. У нас не так много времени – начинай читать и перезвони мне через несколько часов!

Как смогла, я попыталась собрать вместе все, что когда-то читала. Петлевая квантовая гравитация была попыткой объединения общей теории относительности и квантовой механики – двух столпов современной физики, каждый из которых казался достаточно надежным, но друг другу они противоречили. Только такое объединение открывало доступ к белому пятну на карте, где ничто превращается в нечто, где H- состояние становится миром. «Квантовая гравитация нужна, чтобы понять сингулярность, – написала я в блокноте. – Понять ничто». В петлевой квантовой гравитации пространство рассматривается с минимального расстояния, чтобы увидеть природу в максимально возможном приближении и разглядеть, какие драконы там водятся.

Уже то, что у природы есть предел для масштаба длин, довольно трудно понять. У меня в голове не укладывается, как это возможно – взять крошечный кусочек пространства и увеличивать его, увеличивать, все глубже и глубже всматриваясь в него, и достичь наконец глубин, дальше отстоящих от меня, чем вся видимая часть Вселенной, и все это прямо здесь, на кончике пальца. Другая вселенная, намного большая нашей Вселенной, умещается у меня на ладони! Только так не может продолжаться вечно. На масштабе одной миллионной миллиардной миллиардной миллиардной сантиметра вы постучитесь в дно реальности. Извините, друзья, вы дошли до конца – до края Вселенной.

Пространство заканчивается на так называемом планковском масштабе, потому что здесь квантовая механика и общая теория относительности объединенными усилиями искривляют пространство-время до того, что оно рвется. Высокая плотность гравитационных сил производит море черных дыр, которые Уилер назвал «пространственно-временной пеной».

Это, на первый взгляд, противоречит интуиции: обычно, когда вы имеете дело с маленькими объектами, силы гравитации пренебрежимо малы. Сила тяжести действует на массу, и вам нужна довольно большая масса, прежде чем вы заметите притяжение. Даже на человеческом масштабе силы тяготения не очень значительны. Магнит на холодильнике, прижимая лист бумаги, перевешивает притяжение всей планеты. А для протонов и электронов сила тяжести вообще едва ли существует.

Но при дальнейшем погружении вглубь материи положение вещей, как ни странно, начинает коренным образом меняться. Законы квантовой механики содержат лазейку, позволяющую крупным флуктуациям энергии возникать прямо из вакуума, при условии, что они живут не слишком долго. На более коротких временных масштабах энергия мерцает, то возникая, то исчезая в виде флуктуаций или виртуальных частиц. Чем более локализована частица в пространстве, тем больше ее импульс, тем выше ее энергия. Благодаря соотношению E = mc 2 чем больше энергия, тем больше масса частицы. По мере того, как вы приближаетесь на все меньшие и меньшие расстояния, виртуальные частицы становятся все более массивными, пока, на масштабе планковской длины, гравитационная сила по своей величине не сравнивается с другими силами. Энергия вступает в свои права, и гравитационное крещендо идет вразнос, вроде как при коллапсе массивной звезды в черную дыру. На расстояниях меньших, чем планковская шкала, гравитационный разгон становится патологическим. Вселенная поедает самое себя. Реальность лопается по швам. Прошедшее и будущее перемешиваются, далекое становится близким, в пространстве-времени наступает смятение и хаос, оно растворяется и исчезает. Уравнения искрят и с шипением исчезают, математика распадается в ничто. Словом, все летит в тартарары. Это конец света.

Теория петлевой квантовой гравитации – это модель пространства на планковских масштабах, перед тем как гравитация разрывает его на куски. Ли Смолин, еще один физик, сотрудник Института «Периметр» и основоположник этой теории, понял, что ситуация могла бы стабилизироваться, если бы пространство, как и материя, было своего рода атомарной структурой. Это означает, что при попытке рассмотреть область пространства во все большем и большем увеличении вы в конце концов упретесь в тупик – мельчайшее пространственное зерно, которое не может быть разбито на части, пространственный «атом», меньше которого уже ничего быть не может. Пока размер пространственного атома больше планковской длины, говорит Смолин, сила тяжести будет оставаться под контролем. Его энергия может расти только до определенного предела, который не позволит посеять хаос и разрушения во Вселенной.

Листая книгу Смолина на эту тему, я обнаружила раздел, который привлек мое внимание. «Вселенная, – писал он, – должна рассматриваться как замкнутая система. Вселенная прекрасна и обладает причудливым строением. Но она не была сотворена кем-то, кто обитает за ее пределами. По определению, Вселенная – это все, что существует, и не может быть ничего вне ее. По определению, не могло ничего существовать до момента рождения Вселенной. Если что-то вызвало рождение Вселенной, то это что-то существовало и должно было быть частью Вселенной. Поэтому первым принципом космологии должно быть утверждение „нет ничего за пределами Вселенной“». Я не могла отделаться от мысли, что тот же принцип был бы справедлив по отношению к H- состоянию, поскольку оно, по определению, бесконечно и безгранично. У ничего нет ничего снаружи.

Мой отец прекратил читать примерно в 4.00 утра, но я продержалась за чтением всю ночь и утром написала самое лучшее письмо, какое только могла написать после бессонной ночи, предлагая свежий взгляд на теорию петлевой квантовой гравитации.

Но что-то все-таки меня беспокоило. На симпозиуме Маркопулу в своем докладе говорила не только об атомарной геометрии, но и о значении наблюдателей в квантовой Вселенной. «Физические космологические теории должны апеллировать к наблюдателям внутри Вселенной», – утверждала она, повторяя суть главного принципа Смолина. Вместо одного описания Вселенной извне лучшее, что мы можем получить, – это огромный массив частичных описаний Вселенной, сделанных изнутри нее. Теория квантовой гравитации, сказала она, должна содержать набор правил для переходов между ними. Космология Маркопулу, построенная на частичных ограниченных наблюдениях Вселенной, напоминала мне предположение Уилера о том, что наблюдатели участвуют в создании Вселенной. Имеет ли мир квантовой гравитации какое-то отношение к самонастраивающемуся контуру Уилера? Я была уверена, что, если мне удастся опубликовать статью в журнале Scientific American , то у меня появится шанс найти ответ на этот вопрос.