Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Сегодня многие физики-теоретики ищут новые теории путем произвольного выбора гипотез: «Представим, что…» Не думаю, что на таком пути в науке можно получить хорошие результаты. Наша фантазия слишком ограниченна, чтобы «представить», как может быть устроен мир, если только мы не вдохновляемся в наших поисках теми уликами, которые есть в нашем распоряжении. Имеющиеся улики – наши подсказки – это либо показавшие свою успешность теории, либо новые экспериментальные данные, и ничего иного. Именно в этих данных и теориях следует пытаться открыть то, что пока недоступно нашему воображению. Именно так действовали Коперник, Ньютон, Максвелл и Эйнштейн. Они никогда не пытались просто угадать новую теорию, в отличие от того, как, на мой взгляд, пытаются действовать сегодня многие физики-теоретики.

Три названных мною экспериментальных результата говорят голосом самой Природы: «Кончайте выдумывать новые поля и странные частицы, дополнительные измерения, другие симметрии, параллельные вселенные, струны и все тому подобное. Детали пазла проще: общая теория относительности, квантовая механика и Стандартная модель. Следующий шаг вперед может быть “лишь” вопросом их правильного комбинирования».

Это обнадеживающее сообщение для сообщества петлевой квантовой гравитации, поскольку гипотезы, лежащие в основе этой теории – общая теория относительности, квантовая механика, совместимость со Стандартной моделью и ничего больше. Радикальные концептуальные выводы – кванты пространства, исчезновение времени – это не смелые гипотезы, а рациональные следствия, вытекающие из принятия всерьез фундаментальных положений наших лучших теорий.

Еще раз подчеркну: у нас нет надежных доказательств. Супер-симметричные частицы все же могут существовать, например, в масштабах, которых мы еще не достигли, и они могут существовать, даже если верна петлевая теория. Суперсимметрия не проявилась там, где ее ожидали, в результате чего сторонники теории струн немного приуныли, а у петлевых теоретиков настроение приподнялось, но все это по-прежнему вопрос улик, никаких твердых доказательств пока нет.

Чтобы найти более надежные подтверждения этой теории, надо посмотреть в другую сторону. Ранняя Вселенная открывает перед нами окно для предсказаний, которые способны подтвердить теорию. Или же опровергнуть ее. Причем у нас есть основания надеяться, что произойдет это в не столь отдаленном будущем.

Если у нас есть уравнения, описывающие переход Вселенной через квантовую фазу, мы можем рассчитать влияние квантовых явлений на Вселенную, какой мы ее наблюдаем сегодня. Вселенная заполнена излучением: это море фотонов, сохранившихся в космосе с ранней горячей фазы, остаточное свечение от прежнего высокотемпературного состояния.

Электромагнитное поле в необозримом космическом пространстве между галактиками покрыто рябью подобно морской поверхности после сильного шторма. Это волнение, заполняющее всю Вселенную, называется реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоном. В прошлые годы его изучали спутники COBE и WMAP, а совсем недавно – «Планк». Картина ничтожных флуктуаций этого излучения представлена на рис. 9.3. Особенности структуры этого излучения рассказывают нам об истории Вселенной, а в деталях этой структуры могут быть скрыты следы ее квантового рождения.

Одно из наиболее активных направлений исследования в петлевой квантовой гравитации – это изучение того, как на этих данных отражается квантовая динамика первичной Вселенной.

Рис. 9.3.Флуктуации космического микроволнового фона. Это изображение самого старого объекта во Вселенной, доступного нашим наблюдениям. Флуктуации, которые здесь видны, были порождены 14 миллиардов лет назад. В их статистике мы надеемся найти подтверждение предположениям квантовой гравитации

Результаты пока предварительные, но вдохновляющие. Дополнительные вычисления и более точные измерения должны сделать возможной проверку этой теории.

В 2013 году Абэй Аштекар, Айвен Агулло и Уильям Нельсон опубликовали статью, в которой рассчитали, что при некоторых дополнительных предположениях статистическое распределение флуктуаций этого космического излучения должно демонстрировать влияние первичного отскока: широкоугольные флуктуации должны отличаться от тех, которые предсказываются теорией, не принимающей во внимание кванты. Современное состояние измерений представлено на рис. 9.4, где черная линия соответствует предсказанию Аштекара, Агулло и Нельсона, а серые точки – данным измерений. Пока данных недостаточно, чтобы оценить, имеет ли место предсказанный авторами загиб черной линии вверх. Но измерения становятся все более точными. Ситуация продолжает меняться. Те, кто, как и я, всю жизнь занимаются поисками понимания секретов квантового пространства, с большим вниманием, тревогой и надеждой следят за непрерывным ростом наших возможностей наблюдать, измерять и вычислять и ждут момента, когда природа наконец ответит, правы мы или нет.

Рис. 9.4.Возможное предсказание спектра фонового излучения в петлевой квантовой гравитации (сплошная линия) в сравнении с разбросом текущих экспериментальных данных (точки). С разрешения А. Аштекара, А. Агулло и У. Нельсона

Следы этого колоссального первичного разогрева должны также оставаться в самом гравитационном поле. Гравитационное поле, то есть само пространство, тоже должно быть покрыто рябью подобно поверхности моря. Поэтому должно существовать космическое гравитационное фоновое излучение – еще более старое, чем электромагнитное, поскольку гравитационные волны в меньшей степени подвержены влиянию вещества, чем электромагнитные, и способны без искажений распространяться даже тогда, когда Вселенная была слишком плотной, чтобы через нее могли проходить электромагнитные волны.

Мы смогли непосредственно наблюдать гравитационные волны с помощью детектора LIGO. Его два плеча длиной несколько километров расположены под прямым углом друг к другу и в них с помощью лазерных лучей измеряется расстояние между тремя фиксированными точками. Когда проходит гравитационная волна, пространство едва заметно растягивается и сжимается, и лазеры способны зафиксировать эти ничтожные вариации [113]. Наблюдавшиеся гравитационные волны были порождены астрофизическими событиями – столкновениями черных дыр. Эти явления описываются общей теории относительности без обращения к квантовой гравитации. Однако более масштабный эксперимент LISA, находящийся сейчас на стадии рассмотрения, сможет проделывать то же самое в гораздо больших масштабах. Он предполагает выведение трех спутников, причем не на околоземную, а на околосолнечную орбиту, как если бы они были малыми планетами, сопровождающими Землю по ее орбите. Эти три спутника будут связаны лазерными лучами, измеряющими расстояния между ними, или, лучше сказать, изменения этих расстояний при прохождении гравитационной волны. Если эксперимент LISA будет запущен, он сможет регистрировать не только гравитационные волны, порожденные звездами и черными дырами, но и диффузный фон первичных гравитационных волн, возникших в период, близкий к Большому взрыву. Эти волны должны нести информацию о квантовом отскоке.