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

Чтобы понять, как может работать суперпозиция, вернемся к знаменитому коту Шрёдингера и сделаем шаг вперед. В изначальном сценарии экспериментатор вводит пушистого кота в состояние неопределенности, когда он одновременно и жив и мертв. Соединение знакомых условий (жизни и смерти) приводит к возникновению незнакомого (экзистенциальной неопределенности кота). Для большинства людей это звучит странно, однако обратное тоже справедливо. Соединение незнакомых условий может приводить к возникновению знакомого . Это означает, что несомненно живой кот тоже находится в суперпозиции, создающей экзотические условия вроде тех, в которых можно быть «отчасти живым и отчасти мертвым». «Отчасти мертвые» доли взаимно нейтрализуются, оставляя полностью живое животное, во многом подобно эксперименту с конфетами, где ошибки отдельных людей взаимно компенсируются. Даже обыкновенный кот, иными словами, является сплетением противоречий (хотя это нисколько не удивляет владельцев кошек).

Как бы странно это ни звучало, именно здесь кроется сила квантовой механики. Обычный мир является в значительной мере результатом странных процессов, странности которых нейтрализуют друг друга. Например, почему свет распространяется прямолинейно? Если смотреть на квантовом уровне, то свет на самом деле распространяется по всем возможным направлениям сразу, однако извилистые пути взаимно нейтрализуются, оставляя только прямой. Пространство может быть точно таким же. Обычное пространство, в котором мы существуем, может представлять собой суперпозицию непространственных сетей, где непространственность одной из них нейтрализует непространственность другой.

Сторонники теории струн исследуют идеи, аналогичные квантовому граффити Маркопоулоу. В 1990-х гг. они предложили «матричные модели», названные так потому, что в основе уравнений лежат решетки, или матрицы чисел, во многом похожие на схемы расстояний. Математическая матрица не имеет никакого отношения к «матрице» виртуальной реальности из фильма «Матрица», но замысел пугающе сходен: мир, который мы видим, — это своего рода образ, генерируемый более глубоким уровнем реальности. Наиболее известна матричная модель, разработанная квартетом теоретиков Томом Бэнксом, Вилли Фишлером, Стивом Шенкером и Леонардом Сасскиндом. Их модель, как и квантовое граффити, предполагает, что Вселенная — это переплетение взаимосвязей крупинок первичной материи. При определенных условиях излишние связи разрываются и крупинки образуют регулярную пространственную решетку. «Вы начинаете с кучи деталей из детского конструктора “Тинкертой”, не имеющих какой-либо определенной структуры, — говорит Сасскинд, профессор физики из Стэнфордского университета. — Вы их хорошенько встряхиваете, и они образуют решетку или структуру того или иного вида».

Теория струн давно переросла свое название. Она допускает существование не только одномерных струн, но и двумерных мембран, а также их многомерных аналогов, называемых теоретиками 1-бранами, 2-бранами, 3-бранами, 4-бранами и т.д. Некоторые браны, обозначаемые символом D, могут действовать, как концы струн. В самом низу этой иерархии находится скромная D0-брана — частица своего рода. Как истинная геометрическая точка, не имеющая размера и прочих пространственных атрибутов, D0-брана представляет собой идеальный строительный блок для пространства. В подтверждение этой догадки теоретики наделяют D0-брану подходящими свойствами, чтобы она выполняла роль гравитона, передающей силу притяжения частицы, предположения о существовании которой существуют уже не одно десятилетие.

В матричных моделях эта частица является фундаментальной, и вся Вселенная состоит полностью из них. Каждая частица может взаимодействовать со всеми остальными, и их взаимодействия не ограничиваются простым включением и выключением, а варьируют по силе и качеству. Чем больше энергии вы сообщаете паре частиц, тем сильнее становится их связь. Одноименная матрица чисел описывает эту сеть взаимодействий. Например, если перейти вниз до восьмой строки, а затем до 12-го столбца, то число там покажет, насколько сильно частица номер восемь взаимодействует с частицей номер 12. Чтобы отразить не просто силу, а еще и качество связи, требуется несколько таких матриц.

Каждая матрица — это квадрат, и перемещение по диагонали от левого верхнего угла до правого нижнего дает особый ряд чисел, где восьмая строка пересекается с восьмым столбцом, 12-я строка — с 12-м столбцом и т.д. Это показывает, как каждая частица взаимодействует сама с собой . Самовзаимодействия — ключевая особенность матричных моделей. Частицы представляют собой самовлюбленные элементарные сущности, физический эквивалент пользователей Facebook, которые всегда раздают «лайки» собственным постам. Их самовзаимодействие характеризуется спокойствием, непринужденностью, когда силу можно увеличивать или уменьшать без накачки энергией.

Если процессы в квантовом граффити в определенной мере произвольны, то законы, управляющие D0-бранами, подчиняются симметрии. Математическая сбалансированность уравнений служит организационным принципом этой модели. Симметрия гарантирует, что внедиагональные значения в матрице привязаны к диагональным — другими словами, взаимодействия между бранами зависят от их самовзаимодействий. Частицы, которые самовзаимодействуют сопоставимо, формируют связь, в то время как частицы с разными уровнями самовзаимодействия остаются разделенными. Проще говоря, подобное притягивает подобное. Как результат браны объединяются в отдельные кластеры, подобные кругам общения в сети Facebook. Из таких кластеров складываются обычные элементарные частицы. Каждый кластер можно кратко описать всего лишь несколькими числами, представляющими силу и качество самовзаимодействия их компонентов.

Именно так появляется пространство в матричных моделях. D0-браны не существуют и не движутся в пространстве. Математически они посажены друг на друга в одной точке. Однако из-за избирательности по отношению к взаимодействиям они создают у нас впечатление жизни в пространстве. То, что мы называем «положением», — это просто набор чисел, которые идентифицируют определенный кластер. Это похоже на классификацию друзей как «любителей физики», «поклонников группы Radiohead» и «любителей кубинских танцев».

Это лишь начало. Можно взять все привычные нам пространственные понятия — движение, размер, локальность — и объяснить их через динамику бран. Движение: объекты изменяют свое положение в результате варьирования самовзаимодействий D0-бран. Это подобно тому, как если бы любители кубинских танцев разом переключились на доминиканскую музыку. Они «переходят» как группа на новое увлечение. Такое сравнение может выглядеть слишком образным, но в матричных моделях именно такова основа физического движения. Размер: самовзаимодействия бран в объекте не совсем одинаковы, немного размыты, так что объект занимает диапазон позиций. Локальность: кластеры в разных местах независимы, поскольку их самовзаимодействия неодинаковы, а это подавляет взаимодействия между ними в соответствии с логикой симметрии. Это подобно утверждению, что любителям кубинских танцев и поклонникам группы Radiohead не о чем говорить друг с другом. «Объекты, которые “разделены”, на самом деле не разделены, — объясняет Сасскинд. — Это просто аннулирование связей, которые соединяют их».