Джордж Массер - Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Благодаря усилиям Берна и его коллег физикам больше не нужно выписывать те десять с лишним тысяч алгебраических членов, а можно сразу перейти к конечным четырем. Но почему старые методы были настолько неудачны и почему эти новые методы работают так хорошо? Другой теоретик, Нима Аркани-Хамед в Институте перспективных исследований в Принстоне, видит причину в нелокальности. Физики-теоретики известны силой характера, но Аркани-Хамед — это стихия. Он родился в Хьюстоне в 1972 г. Несколько лет спустя его отец, видный иранский геофизик, перевез семейство обратно в Тегеран, чтобы помочь в строительстве новой страны после падения шаха. Идеализм семейства быстро рассеялся. Они слишком часто критиковали аятолл, начали скрываться, чтобы избежать ареста и вероятной расправы, и спаслись бегством через турецкую границу верхом на лошадях.

Многие физики говорят, что они «взволнованы» тем или иным открытием. Но говорят это так безэмоционально, что нельзя не удивляться: если они ведут себя так, когда взволнованны, насколько ужасно должно быть, когда им скучно. Аркани-Хамед, напротив, говорит о самых простых вещах с таким воодушевлением, что кажется, он только что открыл потерянный ковчег Завета. Однажды он заставил меня восхищаться тем, что строка «1, 2, 3» может быть переписана как «3, 1, 2» или «2, 3, 1», демонстрируя, как много в физике сводится к тщательному подсчету возможных перестановок. Я помню, как стоял рядом с ним в перерыве конференции с чашкой кофе (похоже, всегда в его присутствии пьют много кофе), когда разговор превратился в стремительный внутренний диалог, в котором Аркани-Хамед давал сам себе ответы, в то время как остальные все еще пытались понять вопросы: «Я сделал это, я попробовал то, но это не сработало, но — о, погодите, возможно дело в том, — значит, мм, интересно, следует ли мне…»

«Физика никогда в жизни не внушала мне большего энтузиазма, — выпалил он, когда я впервые поинтересовался новыми методами вычисления. — Происходит что-то действительно захватывающее, я думаю, это могло бы в конечном счете изменить наши представления как о пространстве-времени, так и о квантовой механике… Все это стремительно развивается прямо сейчас благодаря группе порядка 15 человек во всем мире, работающих над этим день и ночь». В 2013 г. их усилия увенчались созданием полноценной альтернативы диаграммам Фейнмана.

Аркани-Хамед считает, что проблема диаграмм Фейнмана в их нарочитой локальности. Они изображают частицы взаимодействующими друг с другом в определенных положениях в пространстве и времени. Диаграммы выглядят обнадеживающе похожими на следы частиц, которые они оставляют в детекторе вроде пластикового стакана у меня в подвале. Именно поэтому физиков и привлек подход Фейнмана. И все же трясина вычислений создает этому свойству диаграмм дурную славу. Локальность напрямую ответственна за появление огромного количества алгебраических членов в расчетах. «Раз вы настаиваете на том, что теория локальна, — говорит Аркани-Хамед, — то в наказание получаете десяток тысяч слагаемых». Считая каждую точку пространства строго независимой от всех остальных, метод Фейнмана преувеличивает сложность мира. Большая часть того, что появляется на диаграммах, не существует в реальном мире, например «виртуальные» частицы и «духовые» поля. Теоретикам приходится вводить специальные правила, чтобы убедиться, что эти незваные гости не останутся на десерт.

Вместо того чтобы считать локальность отправной точкой, Аркани-Хамед, Берн и их коллеги предполагают, что частицы удовлетворяют определенным законам симметрии, и в результате уравнения получаются намного более простыми. Частицы все равно подчиняются принципу локальности, единственная разница в том, что эта теория получает локальность из более глубоких соображений, вместо того чтобы требовать ее в качестве предварительного условия. Такой подход сочетает скромность с великим замыслом. Эти теоретики не намеревались создавать новую теорию частиц, а просто хотели оптимизировать уже существующую. Их уравнения не предсказывают ничего экзотического, а только облегчают описание того, что мы уже знали.

Исторически такие переформулировки были чрезвычайно существенными. Это обнажает один замечательный факт о теориях в физике. Они не являются фиксированными структурами, а обладают своего рода неизъяснимым бытием за рамками любого конкретного набора уравнений, которыми физики пользуются для их описания, подобно истории, допускающей пересказы с весьма различными обстоятельствами и персонажами, но все равно безошибочно узнаваемой, или музыкальному произведению, которое можно аранжировать по-новому, подчеркнув незамеченные прежде особенности или, наоборот, лишив несущественной мишуры. Пожалуй, самый знаменательный случай такой переформулировки произошел, когда Николай Коперник поместил Солнце, а не Землю в центр Вселенной. В то время его модель была не более чем математической переформулировкой старой геоцентрической системы, и астрономы приняли ее в качестве упрощенного способа составления календарей и схем движения планет. Однако новое представление о космосе вызвало вопросы, которые были бессмысленны при старом. Что заставляет брошенные предметы падать? Орбиты планет должны быть круговыми или они могут быть продолговатыми? Может ли космос быть бесконечным? Работа Коперника, возможно, не была революционной, но она побуждала к революции.

Как видите, лень приносит свою пользу. Люди, которые пытаются уменьшить объем работы, являются движущей силой нововведений. Аркани-Хамед надеется, что заново сформулированная теория частиц вернет к жизни поиск объединенной теории физики. Как только вы перестаете предполагать, что мир вращается вокруг локальности, все начинает вставать на свои места.

Какой принцип должен заменить локальность? Если мир в действительности не состоит из локализованных частиц, то из чего он все-таки состоит ? Пока никто не знает. Но теперь у физиков есть направление дальнейшей работы. Если Эйнштейн опасался, что нелокальность приведет к коллапсу современной физики, то Аркани-Хамед считает, что она знаменует ее возрождение. «В детстве именно это и представляешь, когда думаешь о том, что значит заниматься теоретической физикой», — говорит человек, который на самом деле так и остался ребенком.

Как мы видим, нелокальность вылезает повсюду: в экспериментах в квантовой области, в парадоксах черных дыр, в крупномасштабной структуре Вселенной, в водовороте столкновений частиц. Во всех этих примерах физика заходит в сумеречную зону. Объекты могут обгонять свет; причина и следствие могут меняться местами; расстояние может терять свой смысл; два объекта могут на самом деле быть одним. Вселенная становится пугающей.