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

Джон Уилер восхищался, что интеграл по траекториям Фейнмана заключает в себе сущность диапазона квантовых вероятностей, сводимых к определенному результату, связывая квантовое и классическое непредсказуемым образом. В то время как частицы и поля взаимодействуют любым способом, который физически возможен, взвешенные суммы серий их контактов производят то, что мы реально видим.

Поддержка Уилера вдохновила других великих физиков, таких как Брайс Девитт и Чарльз Мизнер, изучить возможные модели квантовой гравитации. Вопросы, поднятые Уилером по поводу квантовых измерений, сподвигли Хью Эверетта на разработку его многомировой интерпретации, где наблюдатели раскалываются вместе с системой, за которой они наблюдают.

Диаграммы Фейнмана, описывающие возможности интеграла по траекториям, стали полезным инструментом для современных теоретиков. Расширенные на слабое и сильное взаимодействие точно так же как на электромагнетизм, они оказались полезными в развитии Стандартной модели в физике частиц. Стандартная модель, с ее исчерпывающим описанием взаимодействия между силами (исключая гравитацию) и известными материальными компонентами природы, является одной из наиболее успешных схем всех времен.

На протяжении всей жизни Уилер хотел понять наиболее фундаментальные компоненты космоса. Он менял свой подход несколько раз за карьеру, начав с частиц, затем перейдя к полям и геометрии, и, в конце концов, погрузившись в теорию информации. Он хотел понять и организационные принципы, движущие эти компоненты по определенным шаблонам. Интеграл по траекториям, основанный на принципе наименьшего действия, приложенном к квантовой физике, оказался подходящей идеей, но он рассматривал и другие. В конечном итоге он остановился на том, что ответ может дать «контур самовозбуждения»: симбиоз между разумными наблюдателями и тем, что они наблюдают, а именно, прошлым космоса. Неким образом, глядя на то, что происходило когда-то, мы организовали вселенную, извлекли из квантовой пены и сделали такой, какая она есть. Следовательно, с точки зрения Уилера, вопросы «Как возникает бытие?» и «Как возникает квант?» оказались сложным образом связаны.

Сегодня, когда мы превозносим Стандартную модель, мы признаем ее ограничения и хотим за них выйти. Одно из ее упущений просто зияет: она не включает темную материю и темную энергию, невидимые компоненты вселенной, теоретически найденные в последние годы жизни Уилера, но так и не идентифицированные. Темная материя – скрытый «клей», сохраняющий галактики нетронутыми и собирающий их в кластеры.

Вера Рубин, учившаяся в Корнелле в конце сороковых, слушавшая лекции Бете и Фейнмана, выяснила, что такой компонент необходим, еще в шестидесятых-семидесятых, когда вместе с Кентом Фордом изучала вращение галактик в институте Карнеги в Вашингтоне. Оценив несколько спиральных галактик, Рубин и Форд открыли, что звезды в их внешних областях вращаются вокруг центра намного быстрее, чем можно ожидать, если учитывать только видимую материю. Впоследствии в исследование включили больше галактического материала, и дальнейшие наблюдения подтвердили наличие во вселенной темной материи, но не помогли ее найти.

Темная энергия, неизвестное топливо ускоряющегося расширения космоса, является другой великой тайной науки. Как обнаружили две группы исследователей в конце девяностых, вселенная не просто расширяется после Большого взрыва, но скорость этого расширения постоянно растет. В 2011 году руководители этих групп – Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс – получили Нобелевскую премию по физике за данное открытие.

Никто не знает, что заставляет пространство расширяться со все возрастающей скоростью. Ученые не уверены, будет ли она увеличиваться, уменьшаться или останется прежней. Любопытно, но космологическая постоянная, отброшенная Альбертом Эйнштейном после того, как в 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что галактики убегают друг от друга, прекрасно соответствует схеме с учетом темной энергии.

В настоящий момент продолжаются исследования по обнаружению компонентов темной материи и темной энергии. Если ученые смогут определить составляющие того и другого, то им, вероятно, придется модифицировать Стандартную модель. «Кирпичиками» темной материи могут быть аксионы, гипотетические частицы, предложенные физиком Фрэнком Вильчеком, чтобы объяснить, почему сильное взаимодействие, в отличие от слабого, обладает инвариантностью заряд-пространство, и суперсимметричные компаньоны стандартных частиц. Определенные гипотетические расширения Стандартной модели, принятые, чтобы представить низкоэнергетические пределы теории суперструн, предсказывают последний вариант. Природа темной энергии еще сложнее, и заслуживающих доверия гипотез тут немного.

Другая загадка, оставшаяся со времен Фейнмана, Уилера и Девитта – почему гравитация столь нетипична? Почему она намного слабее, чем другие взаимодействия? Как можно описать ее математически последовательно, используя методы квантовой теории поля? Сейчас чаще всего пытаются ее решить, создав унифицированное описание всех взаимодействий, в рамках так называемой М-теории, обобщения теории струн, включающего вибрирующие энергетические мембраны наряду с различными конфигурациями струн (суперсимметричных и не суперсимметричных). Вместо точечных частиц ее фундаментальными частицами являются струны и мембраны масштаба планковской длины, взаимодействующие друг с другом различными способами. Математически достоверным все это выглядит только в пространстве с десятью или одиннадцатью измерениями, и по меньшей мере шесть из них свернуты в похожие на крендели формы, именуемые «пространствами Калаби-Яу».

Теоретики модифицировали диаграммы Фейнмана, чтобы принять в расчет взаимодействия в подобных многомерных пространствах.

Главной проблемой М-теории является то, что она предлагает умопомрачительный набор возможностей для свойств ее компонентов и способов, как пространство Калаби-Яу может быть свернуто. Для последнего некоторые ученые выдают оценку около 10 500(десять, за которым следует пятьсот нулей) возможностей: безумно сложный лабиринт, лежащий далеко за пределами ночных кошмаров Борхеса. Сужение «ландшафта» М-теории так, чтобы он включал только реальность и ничего больше – устрашающий процесс, требующий невероятно строгих правил отбора. Физик из Стэнфорда Леонард Сасскинд, друг Фейнмана, предлагал использовать антропный принцип для решения задачи, другие сомневались, что он окажется достаточно сильным, чтобы исключить такое количество альтернатив.

Родственной умозрительной идеей является концепт «мультиверсума», ансамбля из более чем одной вселенной. В отличие от многих миров Эверетта, мультиверсумы существуют в физическом пространстве, пусть даже и в областях, которые мы не можем наблюдать. Модель появилась в восьмидесятых, когда физик Андрей Линде предложил теорию «хаотической инфляции». В этой схеме, которая представляет собой вариацию более ранней модели раздувающейся вселенной Алана Гута, мироздание начиналось как почва для случайных квантовых флюктуаций в том, что именуется «скалярным полем». Особенно успешные флюктуации производят семена вселенных-пузырьков, которые переживают сверхбыстрые интервалы расширения, называемые «эрами инфляции». Растягивание космоса с невероятной быстротой помогает сгладить температурные различия, и оно же объясняет однородность фонового космического излучения, решая проблему, поднятую Мизнером, когда он работал над своей вселенной «Миксмастера».