Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Граница между искривленным и непрерывным пространством эйнштейновской общей теории относительности и дискретными квантами квантовой механики, помещенными в плоское однородное пространство, исчезает. Кажущегося противоречия больше нет. Между континуумом пространства-времени и квантами пространства отношения такие же, как между электромагнитными волнами и фотонами. Волны дают приближенное крупномасштабное представление о фотонах. Фотоны – это способ, которым взаимодействуют волны. Непрерывные пространство и время – это крупномасштабный образ динамичных квантов гравитации. Кванты гравитации – это способ, которым взаимодействуют пространство и время. Одна и та же математика согласованно описывает квантовое гравитационное поле и другие квантовые поля.

Концептуальная цена, уплаченная за это, – отказ от традиционных идей пространства и времени в качестве общих структур, в рамки которых помещается мир. Пространство и время – это приближения, которые возникают лишь в крупных масштабах. Кант, по-видимому, был прав, утверждая, что субъект знания и его объект неразделимы, но он определенно ошибался, когда рассматривал ньютоновские пространство и время как априорные формы знания, неотъемлемые составляющие грамматики, необходимой для понимания мира. Эта грамматика изменилась и продолжает изменяться с ростом нашего знания.

Общая теория относительности и квантовая механика в конечном счете не настолько несовместимы, как это кажется. При тщательном рассмотрении они пожимают руки и замечательно вступают в диалог. Пространственные отношения, которые составляют суть эйнштейновского искривленного пространства, это ровно те же взаимодействия, которые составляют суть отношений между системами в квантовой механике. Две теории становятся совместимыми и объединяются подобно двум сторонам одной монеты, как только мы понимаем, что пространство и время – это проявления квантового поля и что квантовые поля могут существовать, даже не будучи помещенными во внешнее пространство.

Эта утонченная картина фундаментальной структуры физического мира и есть предлагаемый сегодня квантовой гравитацией новый взгляд на реальность.

Главное преимущество, которое дает эта физика, состоит, как мы увидим в следующей главе, в исчезновении бесконечностей. Бесконечно малого больше не существует. Бесконечности, портящие жизнь в квантовой теории поля, предпосылкой которых служит представление о непрерывном пространстве, теперь исчезают, поскольку они порождаются именно этим физически некорректным допущением о непрерывности пространства. Сингулярности, в которых уравнения Эйнштейна теряют смысл, когда гравитационное поле становится слишком сильным, тоже исчезают: они возникают лишь в результате пренебрежения квантованием поля. Шаг за шагом фрагменты пазла встают на свои места. В последней части книги я остановлюсь на некоторых физических следствиях этой теории.

Может показаться странным и трудным думать о дискретных элементарных сущностях вне пространства и времени, отношения которых, однако, составляют суть пространства и времени. Но представьте, насколько странно должны были звучать слова Анаксимандра, когда он утверждал, что под нашими ногами находится такое же небо, как то, что мы видим у себя над головой. Или слова Аристарха, который пытался измерить расстояние от Земли до Луны и Солнца и обнаружил, что они находятся чрезвычайно далеко, а значит, представляют собой не небольшие шары, а гигантские, и Солнце многократно превосходит размерами Землю. Или выводы Хаббла, когда он понял, что маленькие туманные облачка не звездном небе – это колоссальные скопления далеких звезд…

В течение столетий мир вокруг нас постоянно изменялся и расширялся. Теперь мы видим дальше, понимаем его лучше и поражаемся тому, как он трансформируется в зависимости от ограничений, наложенных на наше восприятие. Его описание, которое нам удается построить, становится все более изощренным, но одновременно более простым.

Мы подобны маленьким слепым кротам под землей, которые почти ничего не знают о мире. Но мы продолжает его изучать…

Я обрисовал основы теории квантовой гравитации и картину мира, которая из нее вытекает. В этой последней части я описываю некоторые следствия этой теории, а именно, что она говорит о Большом взрыве и черных дырах. Я также рассказываю о текущем состоянии возможных экспериментов для проверки теории и о том, что, как мне кажется, хочет сказать нам природа, – в частности, о чем свидетельствует провал попыток пронаблюдать суперсимметричные частицы.

В заключение я выскажу некоторые соображения о том, что все еще ускользает от нашего понимания мира, в особенности о термодинамике и роли информации в теории без времени и пространства, такой как теория квантовой гравитации, а также о том, как появляется время.

Все это подводит нас к самому краю наших знаний о мире, к той смотровой площадке, откуда мы можем взглянуть на то, о чем мы еще совершенно ничего не знаем, – на глубочайшие тайны, которые нас окружают.

В 1927 году молодой бельгийский ученый и католический священник, получивший иезуитское образование, изучил уравнения Эйнштейна и – как и Эйнштейн – понял, что, согласно этим уравнениям, Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Но вместо того чтобы безосновательно отвергнуть этот результат и упрямо пытаться его избежать, как поступил Эйнштейн, бельгийский священник поверил в него и стал искать астрономические данные для его проверки.

В то время галактики не назывались галактиками. Их называли туманностями, поскольку в телескоп они выглядят как маленькие бледные облака среди звезд. Никто еще не знал, что это колоссальные далекие звездные острова, подобные нашей собственной Галактике. Однако молодой бельгийский священник понимает, что скудные данные о галактиках на самом деле совместимы с возможностью расширения Вселенной: близкие к нам галактики удаляются с большой скоростью, словно ими кто-то выстрелил в небо; далекие галактики удаляются еще быстрее. Вселенная раздувается, подобно воздушному шарику. Два года спустя эта догадка подтверждается благодаря двум американским астрономам – Генриетте Левитт и Эдвину Хабблу. Левитт открывает хороший метод измерения расстояний от туманностей, подтвердивший, что они находятся очень далеко, за пределами нашей собственной Галактики. С помощью этого метода и большого телескопа Паломарской обсерватории Хаббл собирает точные данные, которые подтверждают, что галактики удаляются, а их скорости пропорциональны расстоянию до них.