Карло Ровелли - Семь этюдов по физике

Студента университета, посещающего лекции по общей теории относительности по утрам, а по квантовой механике по вечерам и заключившего, что его профессора или дураки, или пренебрегали общением друг с другом по меньшей мере сто лет, следует простить. Утром мир – искривленное пространство, где все непрерывно, а вечером – плоское пространство, где скачут кванты энергии.

Парадокс в том, что обе теории работают удивительно хорошо. Природа ведет себя с нами, как тот пожилой раввин, к которому пришли двое мужчин разрешить свой спор. Выслушав первого, раввин говорит ему: «Ты прав». Второй настаивает на том, чтобы его тоже выслушали, раввин выслушивает и говорит: «И ты прав». Из соседней комнаты раввину кричит его жена: «Но не могут же они оба быть правы!» Он задумывается, а потом кивает: «И ты тоже права».

Группа физиков-теоретиков, рассеянная по пяти континентам, старательно пытается решить эту проблему. Область их исследований называется квантовой гравитацией. Их цель – найти теорию, то есть набор уравнений (но прежде всего – внутренне непротиворечивое видение мира), с помощью которой удалось бы разрешить сегодняшнюю шизофрению.

Физика не впервые сталкивается с двумя в высшей степени успешными, но очевидно противоречивыми теориями. Усилия по объединению, прикладывавшиеся в прошлом, были вознаграждены колоссальным шагом вперед в нашем понимании мира. Ньютон открыл всемирное тяготение, связав параболы Галилея с эллипсами Кеплера. Максвелл написал уравнения электромагнетизма, совместив электрическую и магнитную теории. Эйнштейн сформулировал теорию относительности, стремясь разрешить очевидное противоречие между электромагнетизмом и механикой. На самом деле физик счастлив, когда находит подобное противоречие между успешными теориями: это уникальный шанс. Сможем ли мы построить концептуальный каркас для размышлений о мире, который согласовывался бы с тем, что мы уже узнали благодаря обеим теориям?

Здесь, за границей знания, на переднем крае, наука становится еще красивее – раскаленная в горниле зарождающихся идей, прозрений, дерзаний. Путей выбранных и позже оставленных, увлеченности. В стремлении представить то, чего прежде еще никто не мог вообразить.

Двадцать лет назад туман был плотным. Сегодня сквозь него проступили очертания, внушившие воодушевление и оптимизм. Наметившихся направлений для поиска несколько, так что нельзя сказать, что проблема решена. Разнообразие рождает споры, но полемика приносит пользу: пока туман окончательно не рассеется, хорошо иметь критические замечания и противоположные точки зрения. Одна из главных попыток разрешить проблему – направление исследований под названием «петлевая квантовая гравитация», развиваемое большой командой ученых, которые работают во многих странах.

Петлевая квантовая гравитация – это дерзновение объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Однако это попытка осторожная, поскольку используются только гипотезы, уже содержащиеся в этих теориях, – переписанные соответственным образом, чтобы сделать их совместимыми. Но ее следствия радикальны: дальнейшее глубокое преобразование того, как мы смотрим на структуру реальности.

Идея проста. С одной стороны, общая теория относительности научила нас тому, что пространство – не статичная коробка, а скорее нечто динамичное: своего рода необъятная гибкая раковина улитки, в которую мы заключены и которая способна сжиматься и изгибаться. С другой стороны, квантовая механика научила нас тому, что каждое поле состоит из квантов и имеет мелкозернистую структуру. Отсюда немедленно следует, что физическое пространство также сделано из квантов.

И действительно, важнейший результат петлевой квантовой гравитации в том, что пространство не непрерывно, не бесконечно делимо, а составлено из песчинок – «атомов пространства». Они чрезвычайно мелки: в миллиард миллиардов раз меньше самого маленького атомного ядра. Теория описывает эти «атомы пространства» в математической форме и предлагает определяющие их эволюцию уравнения. Песчинки пространства назвали «петлями», или кольцами, поскольку они соединяются друг с другом, формируя сеть связей, из которых соткана текстура пространства, – словно кольца искусно сплетенной необозримой кольчуги.

Где эти кванты пространства? Нигде. Они не где-то в пространстве, поскольку они сами и есть пространство. Пространство создано сцеплением этих отдельных квантов гравитации. Опять-таки представляется, что мир – больше не об объектах, а о взаимодействиях.

Однако самое поразительное следствие теории – второе. Подобно тому как исчезает понятие непрерывного пространства, содержащего в себе объекты, пропадает также и понятие базового и первичного «времени», которое течет независимо от объектов. Уравнения, описывающие песчинки пространства и материи, больше не содержат временно́й переменной. Это не означает, что все стационарно и неизменно. Напротив, это значит, что изменение вездесуще – но элементарные процессы не могут упорядочиваться в привычную последовательность «моментов». На мельчайшем уровне песчинок пространства танец природы не происходит в ритме взмахов палочки единственного дирижера оркестра, в едином темпе: каждый процесс танцует независимо от своих соседей, в своем собственном ритме. Ход времени – «встроенное» свойство мира, оно зарождается в нем самом во взаимоотношениях между квантовыми событиями, составляющими мир, которые сами и есть источник времени.

Стало быть, мир, описываемый этой теорией, еще дальше отодвигается от привычного нам. Нет больше пространства, «заключающего в себе» мир, и нет больше времени, «в котором» происходят события. Есть лишь элементарные процессы, в которых кванты пространства и материи беспрестанно взаимодействуют друг с другом. Иллюзия пространства и времени, сохраняющаяся вокруг нас, – размытое восприятие этого мельтешения элементарных процессов, точно так же, как спокойное, чистое альпийское озеро на самом деле создается вихрем мириадов крохотных молекул воды.

Разглядывая при колоссальном увеличении с помощью ультрамощной лупы предпоследнюю нашу картинку, в свете этой главы мы увидели бы зернистость пространства:

Возможно ли проверить эту теорию экспериментально? Мы ломаем над этим головы и пробуем, но пока экспериментального подтверждения нет. Тем не менее придумано несколько разных подходов.

Один из них вытекает из исследования черных дыр. В небесах мы теперь можем наблюдать черные дыры, сформировавшиеся при схлопывании звезд. Сжатое под собственным весом, вещество таких звезд коллапсировало и исчезло с наших глаз. Но куда оно делось? Если теория петлевой квантовой гравитации верна, вещество не может действительно коллапсировать в бесконечно малую точку, поскольку бесконечно малых точек не существует – только конечные крупинки пространства. Коллапсируя под собственным весом, вещество должно было становиться все более и более плотным до тех пор, пока квантовая механика не создала бы встречный, уравновешивающий напор.