Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Если говорить точнее, то произведение значений неопределённости местоположения частицы и её импульса не может быть меньше ℎ/2π. [235] Сам Гейзенберг по-другому объяснял свой принцип неопределённости. Он говорил, что волновая природа любого тела, благодаря которой мы можем его видеть, делает невозможным определение его местоположения. Именно это учили десятки студентов-физиков. Но Гейзенберг был не прав. Принцип неопределённости не имеет никакого отношения к измерению. Неопределённость — это внутреннее свойство субмикроскопического мира. См.: Brumfiel G. Quantum uncertainty not all in the measurement: A common interpretation of Heisenberg’s uncertainty principle is proven false // Nature. — 11 September 2012. Такое же ограничение существует и для энергии и времени. В частности, произведение значений неопределённости энергии частицы и времени её существования тоже не может быть ниже ℎ/2π. [236] Представьте себе группу, которая состоит из движущихся мимо наблюдателя световых волн. Из-за существования неопределённости в её местоположении (d x ) можно предположить, что и время прохождения волн мимо наблюдателя (d t ) тоже не определено и равно d x / c , где с — это скорость света. А из-за неопределённости импульса (d p ) также возникает неопределённость энергии (d E ), равная d p × c . Так как d p × d x > ℎ/2π, следовательно, d E × d t > ℎ/2π. В данном случае волна (очень удачно) движется со скоростью света, но этот результат верен и для более общих случаев, когда волновая группа представляет квантовую частицу, хотя в этом случае демонстрация будет более сложной.

Ваше тело не выглядит как распространяющаяся волна с неопределённым местоположением, потому что значение ℎ слишком мало, а ваш импульс слишком велик. Но для крошечных субатомных частиц с небольшим импульсом неопределённость местоположения очень высока. Мельчайшая частица материи, имеющая самую маленькую массу и, соответственно, импульс, — это электрон. Именно он и проявляет наиболее ярко выраженные волновые свойства при минимальной локализации. Как уже говорилось в седьмой главе, именно этим и объясняется, почему атомы существуют, а их электроны не падают на ядро. Электрон не может вместиться в небольшой объём пространства возле ядра, потому что имеет максимальную квантовую волну, а значит, ему нужно много места .

Принцип неопределённости Гейзенберга защищает квантовый мир от разрушения. Если квантовое тело будет локализовано слишком точно, оно утратит свои волновые свойства, которые необходимы ему для интерференции и участия в иных волновых явлениях, определяющих квантовое поведение.

Принцип неопределённости Гейзенберга имеет огромные последствия для пустого пространства. Он означает, что небольшие области вакуума имеют огромную неопределённость относительно уровня энергии, содержащейся в них. Энергия то возникает, то исчезает, как деньги, которые вор крадёт из бумажника, а потом возвращает обратно, пока владелец не заметил. Такие квантовые флуктуации проявляются в виде пар частиц и античастиц (например, электронов и позитронов), которые возникают из ниоткуда, как кролик из шляпы фокусника. Их существование настолько мимолётно и они пропадают настолько быстро, что назвать их настоящими частицами можно было бы лишь с некоторой натяжкой. Тем не менее эти «виртуальные» частицы воздействуют на атомы, сталкиваясь с их внешними электронами и вызывая небольшие изменения в энергии света, который эти электроны излучают, переходя между орбитами. За измерение данного сдвига в атоме водорода американский физик Уиллис Лэмб в 1955 году получил Нобелевскую премию.

Из-за квантовых флуктуаций вакуум буквально кипит энергией. И если флуктуации вполне велики, то в микромире этой энергии будет достаточно для искривления пространства-времени. [237] Квантовый вакуум — это неизбежный результат двух факторов, первым из которых является существование силовых полей. Как уже упоминалось, физики рассматривают фундаментальную реальность как огромное море таких полей. В этой картине, известной как теория квантового поля, фундаментальные частицы — всего лишь локализованные выступы или узелки в поле. Электромагнитное поле изучено лучше всего, а также имеет наибольшее влияние на наш мир, потому что именно оно соединяет атомы в наших телах (и прочих предметах) воедино. Электромагнитное поле может колебаться бесчисленным количеством различных способов, и каждый вид осцилляции соответствует волне с определённой длиной. Представьте себе морские волны, которые могут быть как огромными валами, так и лёгкой рябью. Можно интуитивно предположить, что в космическом вакууме вообще нет электромагнитных волн, и это было бы действительно так, если бы не одна небольшая оговорка в принципе неопределённости Гейзенберга. Это, казалось бы, невинное утверждение имеет огромные последствия, так как требует, чтобы каждая из бесконечного количества осцилляций электромагнитного поля имела минимальный уровень энергии в соответствии с принципом неопределённости. Иными словами, существование каждого варианта колебаний — это не вероятность, а точный факт. Итак, квантовый вакуум вовсе не пуст. Наоборот, в нём наблюдается невероятная концентрация энергии, даже бо́льшая, чем внутри атомного ядра. Мы не замечаем этого по той же причине, по которой не видим воздух: он повсюду одинаковый.

Вообразите себе, что вакуум — это океан в ветреный день. Чайке, пролетающей в небе над водой, её поверхность кажется абсолютно гладкой. Так пространство и время выглядят для макромира. Но если чайка опустится ниже, она заметит волны. Точно такие же колебания будут испытывать пространство и время в меньшем масштабе. Если же чайка приземлится на палубу судна, она увидит огромные валы воды, перехлёстывающиеся через борта. Так будут восприниматься флуктуации в микромире.

Джон Уилер предложил для этого хаотичного пространства-времени термин «квантовая пена». Здесь стоит отметить, что мы до сих пор не получили эмпирических доказательств её существования. Несмотря на то что квантовая пена должна влиять на свет удалённых объектов во Вселенной, таких как квазары или гамма-барстеры, в течение многих миллиардов лет его движения к Земле, обнаружить этот эффект ещё никому не удалось. [238] Vasileiou V. et al. A Planck-scale limit on space-time fuzziness and stochastic Lorentz invariance violation // Nature Physics. — 2015. — Vol. 11. — P. 344 ( http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n4/full/nphys3270.html ). Perlman E. et al. New constraints on quantum gravity from X-ray and gamma-ray observations // Astrophysical Journal. — 20 May 2015. — Vol. 805. — No. 1. — P. 10. — arXiv:1411.7262v5 .

Большинство физиков согласны с Уилером в том, что в микромире пространство-время не существует. «Пространство-время почти наверняка обречено, — говорит Нима Аркани-Хамед из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью-Джерси. — Его нужно заменить другими, более фундаментальными строительными блоками Вселенной. Вопрос только в том, что это за блоки».