Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Уравнения петлевой теории гравитации выражают вероятность процесса через суммы по спиновым пенам в заданных границах. На этом пути, в принципе, возможно вычислить вероятность любого физического события [106].

Рис. 7.4.Вершина спиновой пены. С разрешения Грэга Игана

На первый взгляд этот способ выполнения расчетов в квантовой гравитации, основанный на спиновой пене, кажется очень сильно отличающимся от обычных способов, которыми делаются вычисления в теоретической физике. Нет заданного пространства, нет заданного времени, а спиновая пена кажется объектом, чрезвычайно далеким от, скажем, частиц Стандартной модели. Однако в действительности есть очень сильное сходство между расчетами на основе спиновой пены и теми, что используются в Стандартной модели. Фактически здесь даже более чем сходство: техника спиновой пены – это на самом деле красивое объединение двух основных методов вычислений, используемых в контексте Стандартной модели – фейнмановских диаграмм и решетчатого приближения.

Фейнмановские диаграммы используются, например, для расчета процессов, в которых доминируют электромагнитные и слабые силы. Фейнмановская диаграмма представляет последовательность элементарных взаимодействий между частицами. На рис. 7.5 приведен пример, представляющий взаимодействия двух частиц или двух квантов поля. От левой частицы отделяются две другие частицы, одна из них, в свою очередь, распадается на две частицы, которые затем вновь объединяются и сливаются с правой частицей. Эта диаграмма изображает историю квантов в полях.

Рис. 7.5.Фейнмановская диаграмма

Решетчатое приближение используется, когда взаимодействие сильное и картина на уровне частиц становится неэффективной для описания физических процессов, например при расчете сильного взаимодействия между кварками внутри атомного ядра. Решетчатая техника строится на аппроксимации непрерывного физического пространства с помощью решетки, или сетки, как на рис. 7.6. Эта сетка рассматривается не как точное описание пространства, но лишь как приближение наподобие того, что используют инженеры, когда рассчитывают упругость моста, аппроксимируя свойства бетонных конструкций по методу конечных элементов. Эти два метода выполнения вычислений – фейнмановские диаграммы и решетка – самые эффективные техники в квантовой теории поля.

Рис 7.6.Сетка, аппроксимирующая физическое пространство-время

В квантовой гравитации происходит нечто очень красивое: эти два метода выполнения вычислений становятся одним и тем же. Пространственно-временная пена, изображенная на рис. 7.2 и используемая для расчета физических процессов в квантовой гравитации, может быть интерпретирована и как фейнмановская диаграмма, и как вычисление на решетке [107]. Таким образом, эти две техники вычислений, используемые в Стандартной модели, оказываются частными случаями единой техники – суммирования по спиновой пене квантовой гравитации.

Ранее я уже представлял уравнения Эйнштейна. И вновь я не могу противиться искушению привести здесь полную систему уравнений петлевой теории, несмотря на то что читатель, очевидно, не сможет их расшифровать, если только не предпримет глубокое погружение в математику. Кто-то однажды сказал, что теория не заслуживает доверия, если ее уравнения нельзя записать на футболке. На рис. 7.7 представлена такая футболка с петлевой квантовой гравитацией.

Рис. 7.7.Уравнения петлевой квантовой гравитации на футболке

Эти уравнения [108]– математическая форма изложения картины мира, которую я описывал в последних двух главах. Мы вовсе не уверены в правильности этих уравнений, но, по моему мнению, это лучшая из имеющихся на сегодня формулировок квантовой гравитации.

Пространство – это спиновая сеть, узлы которой представляют его элементарные зерна, а ребра описывают их отношения близости. Пространство-время порождается процессами, в которых эти спиновые сети превращаются друг в друга, и эти процессы описываются суммами по спиновым сетям. Спиновая пена представляет историю спиновой сети, то есть зернистого пространства-времени, в котором узлы графа объединяются и разделяются.

Эти микроскопические роящиеся кванты, которые порождают пространство и время, лежат в основе окружающей нас безмятежной макроскопической реальности. Каждый кубический сантиметр пространства и каждая проходящая секунда есть порождение этой танцующий пены крошечных квантов.

Пространство как сцена исчезло, время исчезло, классические частицы исчезли, как и классические поля. Так из чего же состоит мир?

Ответ теперь прост: частицы – это кванты квантовых полей; свет образован квантами поля; пространство – это не более чем поле, которое также состоит из квантов; время появляется из процессов в тех же полях. Другими словами, мир целиком состоит из квантовых полей (рис. 7.8).

Рис. 7.8.Из чего состоит мир? Из одного-единственного ингредиента – ковариантных квантовых полей

Эти поля не живут в пространстве-времени; они, так сказать, просто живут: одно поверх другого – поля на полях. Пространство и время, которые мы воспринимаем в крупных масштабах, это наш размытый и приблизительный образ одного из этих квантовых полей – гравитационного поля.

Поля, которые живут сами по себе, не нуждаясь в пространстве-времени в качестве субстрата или опоры, и которые способны сами порождать пространство-время, называются ковариантными квантовыми полями . Сущность, составляющая наш мир, радикально упростилась за последние годы. Мир, частицы, свет, энергия, пространство и время – все это есть не что иное, как проявление одного-единственного типа сущностей – ковариантных квантовых полей.

Ковариантные квантовые поля стали сегодня лучшим описанием того, что мы можем назвать апейроном (ἄπειρον) – первичной субстанцией, из которой образовано все остальное. Это понятие выдвинул человек, который, вероятно, может быть назван первым ученым и первым философом, – Анаксимандр [109].