Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность [litres]

Уилер изучал и другую структуру: замкнутый пучок энергии, именуемый «геон». Он хотел знать, что произойдет, если электромагнитное поле получит очертания такого рода – сферы, бублика или иную конфигурацию, – что его собственная гравитация будет удерживать его цельным неопределенно долго. Такая гравитационная структура по всем внешним проявлениям станет вести себя как частица. А подчиняясь утверждению Эйнштейна о том, что энергия и масса свободно обратимы, она даже будет обладать массой. Уилер назвал этот феномен «масса без массы».

Он начал мечтать о новой разновидности физики, построенной на червоточинах, геонах и других геометрических конструктах в компании всяких энергетических полей. Старушка-материя оказалась бы просто иллюзией в новой науке «геометродинамике». Но для проверки того, будет ли работать такая радикально новая модель, требовалось проделать немало расчетов.

Общая теория относительности славится тем, что в ней трудно находить точные решения, за исключением нескольких простых случаев. Но работа в проекте «Маттерхорн» показала Уилеру, что современные компьютеры на многое способны, и что ему просто нужны одаренные ученики – такие как Джон Толл и Кеннет Форд, помогавшие в работе над водородной бомбой, – чтобы отработать технику и запустить в дело геометродинамическую программу.

Выглядело это многообещающе, и Уилер ощущал приятное оживление.

Блестящие теоретики приходят в науку не так часто.

Когда Уилер встретил Чарльза Мизнера, он обрадовался, что в руки ему попал молодой, математически подкованный аспирант, столь же влюбленный в общую теорию относительности, как и он сам. Мизнер работал с полями, получая образование в университете Нотр-Дам, и там же он овладел огромным арсеналом разнообразных математических дисциплин, включая топологию.

Он поступил в аспирантуру Принстона осенью 1952 года.

Подобно Фейнману, он первое время жил в Градуэйт-колледже и хорошо знал дорогу в комплекс лаборатории Палмера. Первый год он посещал занятия и участвовал в проекте по радиоактивному распаду под руководством Артура Уайтмана, несколько раз сталкивался с Уилером и всегда пользовался возможностью, чтобы поговорить о теории относительности.

Позже, когда Уилер начал заниматься червоточинами, геонами и другими чудесами геометродинамики, Мизнер стал участником этого предприятия. Полученного ранее научного багажа Чарльза хватило, чтобы полностью понять то, что так вдохновляло Уилера. Вскоре они обнаружили, что штурмуют высоты знания вместе, и Джон выполняет обязанности научного руководителя.

В дискуссиях с Мизнером Уилер разработал модель квантовой гравитации, названную им «квантовой пеной» (известна как «пространственно-временная пена»). Представим некую разновидность супермощного микроскопа, увеличивающего ткань природы и позволяющего видеть, что происходит в мельчайшем масштабе, именуемом «планковской длиной», это 6×10 –34дюймов (1,6×10 –35метров). Триллионы триллионов объектов такого размера, уложенных рядом, не покроют и одного атома.

Само собой, что на таких малых расстояниях все работает по квантовым правилам. Пространство выглядит «пенистым», оно изгибается в пульсе случайных квантовых флуктуаций, червоточины и другие связанные структуры спонтанно возникают и так же быстро исчезают, словно пузыри в слое пены.

Чтобы понять, как классическая реальность является из такой хаотической пены, требовался процесс оптимизации, который выделил бы упорядоченный космос, доступный нашим глазам. Уилер очень хотел знать, не поможет ли справиться с этой задачей интеграл по траекториям. Наверняка методы Фейнмана позволят найти оптимальную траекторию среди всех возможных вариантов эволюции вселенной.

Результатом стала бы изящная связь между классической и квантовой теориями гравитации, способная объяснить, как порядок возникает из случайных квантовых флуктуаций.

Студенты Уилера часто дразнили его за слишком большие, почти наполеоновские амбиции. Он открыто признавал, что из-за привычки откладывать дела иногда не может воплотить мечты в жизнь. Но мечты все же не давали ему сидеть на месте. Типичный отрезок его жизни начинался с диких идей, но быстро превращался в сложный, далеко идущий проект, на котором он, тем не менее, не задерживался, а переключался на что-то еще.

Мы видели, что произошло с ранней теорией поглощения Уилера – Фейнмана.

Совместная работа с Мизнером шла в атмосфере большого оптимизма. Чарли получил задачу приложить методы Фейнмана к геометродинамике, чтобы создать в результате квантовую теорию гравитации. Это не заняло бы много времени, подчеркнул Уилер, если не задумываться над тем, какой сложности задача перед ними стояла. «Взявшись за интеграл по траекториям, можно довести дело до конца» 86, – уверил он Мизнера.

Тот в свою очередь нашел концепцию интеграла по траекториям восхитительной. Он понял ее так, что «реальность продолжает существовать посредством осознания всех возможностей до того момента, как вы воплощаете одну из них» 87.

Тем не менее, чтобы заняться квантовым подходом к проблеме, требовалось полностью классическое (не квантовое) описание соединения электромагнетизма и гравитации.

Мизнер принялся за дело и начал разрабатывать математические теоремы, связанные с общей теорией относительности. В то время Уилер недостаточно хорошо знал имеющую отношение к делу литературу по математике и не мог помочь в этом вопросе. Питер Бергман, имевший представление о стартовавшем проекте, помог решить эту проблему. Он обнаружил, что частью работа Мизнера сходна с результатами, опубликованными в 1925 году специалистом по математической физике по имени Джордж Райнич.

Чтобы не дублировать результаты, Мизнер решил сфокусировать усилия на приложении интеграла по траекториям к общей теории относительности, как бы самоуверенно это не звучало. За проведенное в Принстоне время он добился прогресса в формулировке проблемы и определении дальнейших шагов к тому, чтобы создать квантовую теорию гравитации с помощью методов Фейнмана.

Но в то же время Мизнер понял, что довести дело до конца будет не так легко. Диссертация под названием «Схема Фейнмановского квантования общей теории относительности» стала скорее начальным пунктом исследования, чем его завершением.

Благодаря тому, что Уилер работал с такими исключительными студентами как Фейнман и Мизнер, он начал смотреть на себя как на основателя новой научной школы, наподобие той, которую Бор создал в Копенгагене. У него было достаточное количество проектов, связанных с общей теорией относительности и квантовой физикой, чтобы заниматься ими самому, но в то же время он никогда не терял контакта с учениками – например, с Фордом и Толлом – по мере того, как они строили собственную академическую карьеру.