Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

С 70-х годов XX века было еще много попыток понять, что происходит с информацией внутри черной дыры. Большинство ученых думают, что в итоге она выйдет, так что противоречий с квантовой механикой нет. Однако никто так и не смог найти ошибку в вычислениях Хокинга. Похоже, что и общая теория относительности нам врет. Но как в таком случае нужно изменить теорию, чтобы это исправить? К сожалению, этого пока никто не знает. Подробный анализ информационного парадокса и его последствий для теории квантовой гравитации см. ниже в параграфе «Огненная стена черной дыры: неприятности на краю».

Возможно, Вселенная дает нам и другие зашифрованные ключи к квантовой гравитации. Одним из них является темная энергия – так мы называем то, что ускоряет расширение Вселенной. Хорошие новости в том, что случайные квантовые флуктуации пустого пространства действуют как темная энергия, приводя к ускорению расширения пространства. К сожалению, когда мы подсчитываем, насколько быстрым это расширение должно быть, то получаем слишком большой результат, по крайней мере в 10 60раз больше нужного. Это одно из худших предсказаний в истории науки. Ясно, что мы пропускаем что-то важное, как-то связанное с механизмом реагирования пространства на квантовое вещество. Но что это? Опять же, никто не знает.

Вопросы квантовой гравитации по сути касаются того, что означают пространство и время в квантовой Вселенной. Мы перепробовали много подходов к квантовой гравитации. На данный момент лучше всего разработана теория струн, в отличие от остальных предоставляющая проверку и подтверждение того, что квантовая механика и общая теория относительности могут счастливо сосуществовать. Также есть набор и других идей, но пока ни один из этих подходов не может ответить на основные вопросы, которые поставили бы их разработку на первое место. Что произошло во время Большого взрыва? Что заменяет сингулярность в черной дыре? Как информация уходит из черной дыры? Эти вопросы уже предстоит решать будущим поколениям.

Теория струн показывает, что по крайней мере возможно примирить квантовую механику с гравитацией. Но это не означает, что такой способ выбрала сама природа. Законы, управляющие нашей Вселенной, возможно, логически не согласуются, но в ней существует своего рода заговор, не позволяющий нам обнаружить эту непоследовательность на практике – как физическое воплощение математической теоремы о неполноте Курта Гёделя. Тот факт, что эффекты квантовой гравитации появляются в местах, которые мы просто не способны наблюдать, уже может расцениваться как свидетельство этого заговора.

Одни правила работают в масштабах атомов, другие – космоса. Физики уже смогли слить воедино квантовую теорию и специальную теорию относительности, и теперь они надеются создать теорию всего, которая сможет продемонстрировать, как устроена вся Вселенная на фундаментальном уровне.

Пока что внимание было сосредоточено на происходящем в условиях высоких энергий, существовавших в первые моменты Большого взрыва, где обе теории должны предлагать ответы. Проблема заключается в том, что экспериментировать с подобными теориями невероятно сложно. Для этого необходимо построить ускоритель размером с Солнечную систему, говорит Роджер Пенроуз из Оксфордского университета.

Но вполне вероятно, что квантовый мир имеет больше общего с теорией относительности, чем мы думаем. Согласно Пенроузу, мы десятилетиями проводили эксперименты, объединяющие квантовую теорию и гравитацию, а с небольшими доработками они смогут предложить другой путь к открытиям, к которым мы стремимся.

До сих пор взаимное влияние некоторых странностей физики друг на друга в основном игнорировалось. Возьмем хотя бы тот факт, что атомы и маленькие молекулы могут существовать в двух местах одновременно и находиться в состоянии, известном как суперпозиция (см. главу 2). Общая теория относительности утверждает, что масса искажает пространство и время. Получается, что в состоянии суперпозиции масса атома создает два отдельных искажения в пространстве-времени, действуя таким образом на себя силой тяжести (см. рис. 8.2)? В более фундаментальном плане это вызывает сомнения, что теория относительности в принципе допускает появление суперпозиции. Причина, по которой квантовая реальность так отличается от нашего повседневного опыта, может быть прямо у нас под носом.

Возможно, новое поколение экспериментов сможет ответить на эти вопросы, исследуя воздействие гравитации на хрупкие квантовые состояния. Классический способ увидеть эффект суперпозиции – запустить атом по экрану с двумя щелями. Результатом станет интерференционная картина, образующаяся на детекторе, расположенном за щелями: набор четко выраженных полос, где атомы, судя по всему, ударяют по детектору, чередуется с пустыми местами, куда, видимо, не попал ни один из атомов. Единственное объяснение такой картины состоит в том, что атом проходит через две щели и две части его волновой функции интерферируют перед тем, как он достигнет детектора. Если вы затем добавите еще один детектор, чтобы измерить, через какую щель прошел атом, он разрушит интерференционную картину.

Рис. 8.2. Важная дилемма: все объекты оставляют свой след в пространстве-времени, но как частица, способная быть в нескольких местах одновременно, воздействует на саму себя?

Имеется много идей на счет того, почему так происходит. Большинство из них связано с потерей информации: считывание траектории атома заставляет его выбрать один путь или другой и не позволяет ему выбрать оба. Эксперименты показали, что там даже не нужен детектор: нагрева атома, вследствие которого он излучает фотоны, которые можно использовать для определения его положения, кажется, достаточно для ослабления интерференционной картины.

Для объектов побольше суперпозиция намного более труднодостижима. Мы создали интерференционные картины с помощью молекул, составленных из сотен атомов, но чем массивней они становятся, тем короче жизнь суперпозиции. Это может быть связано с потерей информации, но некоторые исследователи подозревают, что тут работает другое воздействие. Они предполагают, что гравитация является реальной причиной того, почему массивные скопления атомов, включая нас самих, не ведут себя как квантовые частицы.