Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

По словам Малдасены и Сасскинда, связи, которые учёные называют «кротовыми норами», представляют собой эквиваленты запутанности. Иными словами, если две частицы находятся в состоянии запутанности, между ними формируется микроскопическая «кротовая нора». Итак, «кротовые норы» в пространстве-времени и квантовая запутанность могут быть всего лишь различными способами описания одной и той же реальности.

Если запутанность возникает из-за существования микроскопических «кротовых нор» в пространстве-времени и такие норы важны для самого его существования, значит, уменьшение запутанности нарушит саму ткань пространства-времени, что и доказал Ван Раамсдонк. Итак, ответом на вопрос «Из чего сделано пространство?» могут быть «кротовые норы» или квантовая запутанность. Выбирайте, что вам нравится больше. В конце концов, если верить Малдасене и Сасскинду, это одно и то же.

Когда Малдасена продемонстрировал, что теория квантового поля на горизонте пятимерной Вселенной проявляется внутри неё как общая теория относительности, выяснилось, что одну и ту же физическую ситуацию можно описать по-разному. Существование таких дуальностей иногда помогает решить, казалось бы, безнадёжную задачу, просто подойдя к ней с другой стороны.

Типичной дуальностью теории струн является тот факт, что физика в сверхмалых и сверхбольших масштабах проявляет себя совершенно одинаково. Эта T-дуальность объясняется тем, что струны могут двигаться или обматываться вокруг дополнительного пространственного измерения, обмениваясь при этом импульсом. Благодаря этому в микро- и макромире физические законы проявляют себя одинаково.

Ключевым следствием из этой дуальности является то, что в сверхмалых масштабах физические параметры, например сила притяжения, не увеличиваются до бесконечности, как предсказывал Эйнштейн в своей теории гравитации. Вместо этого они держатся в тех же рамках, что и в макромире. Интуитивно это кажется логичным, ведь длина струн конечна, а так как их нельзя сжать до нулевого объёма, это позволяет избежать и предположения о сингулярности как начале Вселенной.

Разумеется, дуальности встречаются не только в теории струн. Их можно найти и в других областях физики, таких, например, как квантовая теория, известная своим корпускулярно-волновым дуализмом. На самом деле разделение корпускулярного и волнового подхода к мельчайшим строительным блокам Вселенной было актуальной темой для обсуждения только на начальных этапах существования квантовой теории (и ещё остаётся для научно-популярной литературы, например для этой книги). После создания последовательной квантовой теории в середине 1920-х годов о корпускулярно-волновом дуализме забыли. Квантовые механизмы Шрёдингера и Гейзенберга оперируют математическими объектами вроде волновых функций, которые не являются ни частицами, ни волнами и для которых в наших словарях нет слов, а в реальной жизни — аналогий.

Корпускулярно-волновой дуализм показывал, что учёные ещё не приблизились к адекватной квантовой теории. Точно так же и дуальности в теории струн демонстрируют её неполноту. «Мы ещё не дошли до конца, — говорит Берман. — В истинной теории дуальностей не будет». Но как же нам её найти?

Аркани-Хамед полагает, что существует несколько стратегий поиска более глубокой, фундаментальной и истинной теории. Самая очевидная состоит в том, чтобы составить список всех предположений, которые имеются у учёных на данный момент, и постепенно вычёркивать их одно за другим, пока лучшее из них не трансформируется в то, что нужно. «Однако история показывает, что обычно такая тактика не работает», — отмечает Аркани-Хамед.

По какой-то причине теории в физике похожи на матрёшки. Внутри каждой красивой куклы находится ещё одна, такая же красивая, а внутри каждой изящной и непротиворечивой теории — более глубокая, но не менее изящная. Так что сделать из одной теории другую, более развитую, вряд ли получится. Природа не позволит этого. «Законы физики на любом из уровней совершенны. Но спуститесь на уровень ниже, и они окажутся ещё более совершенными», — замечает Аркани-Хамед. Единственный способ перейти от одного к другому — это сделать шаг в темноту. Как говорил Ньютон, за всеми великими открытиями стояли дерзкие догадки.

Ярким примером «матрёшечного» характера природы являются классическая физика и квантовая теория. В конце XIX века классическая физика считалась безупречной. Единственным её слабым местом была ультрафиолетовая катастрофа, которая казалась важной Планку и Эйнштейну. Но более глубокая теория, исправившая этот недочёт, не выросла из классической физики. Создание квантовой теории включало в себя появление из ниоткуда новых принципов и уравнений (например, уравнения Шрёдингера), которые были совершенно несовместимы с классической физикой и никак не могли вытекать из неё.

По словам Аркани-Хамеда, законы физики не переходят друг в друга плавно, а резко обрываются, сбрасывая науку на уровень глубже. Поэтому у учёных остаётся только один выход: держаться за известное как можно дольше, а затем прыгать.

В данном случае известное — это специальная теория относительности и квантовая теория, а единственная известная нам система, которая их объединяет, называется теорией струн. Аркани-Хамед считает, что эту физику нужно подтолкнуть к краю, чтобы она спрыгнула во тьму в надежде приземлиться на неизведанной территории. «Физика развивается рывками, — говорит Аркани-Хамед. — Главное — находиться поблизости от правильного ответа и прыгать с подходящего места».

Новая теория вытеснит теорию гравитации Эйнштейна, которая и так не действует в сингулярности, то есть в сердце чёрных дыр и в начале времени. «И кроме того, может потребоваться расширить квантовую теорию», — отмечает Аркани-Хамед.

«Большинство теорий содержат информацию о собственной гибели: электромагнетизм говорит об ультрафиолетовой катастрофе, общая теория относительности — о сингулярностях. Но у квантовой теории, кажется, нет ахиллесовой пяты, — говорит Берман. — Она представляет собой нечто очень глубокое».

Несмотря на то что на сегодняшний день квантовая теория соответствует целевому назначению, то есть точно предсказывает результаты всех экспериментов, она предполагает существование неких вселенских часов, отмеряющих время. «Однако если вблизи сингулярностей время начинает идти по-другому, непонятно, как мы можем применять квантовую теорию. В области космологии, то есть происхождения, эволюции и будущего конца Вселенной, квантовая теория может иметь проблемы», — говорит Аркани-Хамед.