Павел Сергеевич Данильченко
Теория реальности
Атомы пространства-времени
Тепло – это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы – в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра – это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.
Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.
Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10−35 метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета – точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.
Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, – это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.
Если вы имеете дело с обычной материей, с увеличением изучаемого объёма растёт число молекул. Тут всё закономерно: увеличьте радиус пляжного мяча в 10 раз – и внутри него окажется в 1000 раз больше молекул. Однако, увеличив в 10 раз радиус чёрной дыры, вы получите всего лишь стократное увеличение числа её «молекул». Количество частиц, из которых состоит дыра, пропорционально площади её поверхности, а не её объёму. Чёрная дыра выглядит трёхмерной, а ведёт себя, как двухмерная.
Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, – а с этим согласны многие физики-теоретики, – то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.
Во всяком случае, отношение части к целому редко бывает простым. Молекула H2O – это не просто частица воды. Вспомним известные нам свойства данной жидкости: она течёт, образует капли, рябь и волны, замерзает и кипит. Отдельная молекула H2O ничего такого не делает: молекул должно быть много. Аналогично, кирпичики пространства могут не быть пространственными. «Атомы пространства не являются мельчайшими частицами пространства, – говорит Даниэле Орити (Daniele Oriti) из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (нем. Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) в Потсдаме, Германия. – Они лишь то, из чего образуется пространство. Геометрические свойства пространства – новые, коллективные, более или менее точные свойства системы, состоящей из многих таких атомов».
Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это – кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это – родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной – нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это – особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это – события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще – по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.
Во всех этих теориях, несмотря на разные принципы их построения, используется так называемый «реляционизм» немецкого философа XVII—XVIII веков Готфрида Лейбница. С точки зрения реляционизма, пространство возникает из определённой структуры корреляций между объектами. Выходит, оно – своеобразный пазл. Вы начинаете с большой кучи кусочков, смотрите, какие между ними связи, и соответственно складываете из этих кусочков какую-то картину. Если два кусочка имеют что-то схожее, например цвет, их, по-видимому, следует разместить рядом; если же они сильно отличаются друг от друга, вы постараетесь разместить их так, чтобы между ними было большое расстояние. Выражаясь языком физики, это – сеть с определённой структурой связности. Отношения здесь задаются законами квантовой теории или другими принципами, и на этой основе образуется пространство.
Ещё одна общая для разных теорий тема – фазовые переходы. Пространство, которое складывается из кирпичиков, можно и разобрать. Затем из его кирпичиков можно создать нечто, совсем непохожее на пространство. «Подобно тому, как вещество имеет разные фазовые состояния, такие как лёд, вода и водяной пар, у атомов пространства, благодаря их способности перенастраиваться, тоже есть разные фазы», – утверждает Тхану Падманабхан (Thanu Padmanabhan) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики (Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics) в Индии. С этой точки зрения, чёрные дыры могут быть местами исчезновения пространства в ходе фазового перехода. Привычные теории рушатся, и нужна более фундаментальная теория для описания нового фазового состояния атомов пространства. Физика продолжает работать даже там, где исчезает пространство.
Запутанные сети
Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противоположных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.
Обычно в разговорах о «квантовой» гравитации обсуждали квантовую дискретность, квантовые флуктуации, кучу других квантовых эффектов, но только не квантовую запутанность. Ситуация изменилась, когда в эти разговоры вмешались чёрные дыры. Пока существует чёрная дыра, в неё попадают запутанные частицы. Их партнёры, не поглощённые дырой, с её исчезновением остаются запутанными… ни с чем. «Хокинг назвал бы это проблемой запутанности», – говорит Самир Матур (Samir Mathur) из Университета штата Огайо (The Ohio State University).
Даже в вакууме, при отсутствии частиц, электромагнитные и другие поля демонстрируют внутреннюю запутанность. Измеряя поле в двух разных местах, вы увидите, что показания вашего прибора колеблются случайным, но скоординированным образом. И если вы разделите какую-то область на две части, эти части будут коррелировать друг с другом со степенью корреляции, зависящей от единственной общей для них геометрической величины – площади их контакта. В 1995 году Джекобсон заявил, что запутанность обеспечивает связь между наличием вещества и геометрией пространства-времени, а значит, может объяснить закон гравитации. «Чем больше запутанности, тем слабее гравитация, то есть жёстче пространство-время», – утверждает он.
В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации – и, прежде всего, теория струн – отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства – по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это – запутанность.
Для обоснования данной гипотезы Марк ван Раамсдонк (Mark Van Raamsdonk) из Университета Британской Колумбии (University of British Columbia) в 2009 году провёл элегантное доказательство. Предположим, что поля на границе не запутаны. Образуя пару некоррелирующих систем, они соответствуют двум автономным вселенным. Путешествовать из одной в другую невозможно. Когда системы запутываются, между автономными вселенными возникает нечто похожее на туннель или лаз, благодаря чему космический корабль получает возможность пролететь из одной вселенной в другую. С усилением запутанности туннель всё короче и короче, вселенные всё ближе и ближе друг к другу, и, наконец, их сближение достигает такой фазы, на которой говорить о них как о двух вселенных уже бессмысленно. «Появление большого пространства-времени напрямую связано с запутыванием степеней свободы, имеющихся у полей», – считает ван Раамсдонк. Наблюдаемые нами корреляции в электромагнитных и других полях являются остатком запутанности, обеспечивающей единство пространства.
По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл (Brian Swingle), ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации – то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, – вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз – чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.
Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спиридон Михалакис (Spyridon Michalakis) и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.
Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время – основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, – это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить
революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.
РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
ГЛАВА 4
Я думаю многие слышали о том, что Вселенная расширяется. У моих читателей возникает множество вопросов связанных с этим. В этой книге я постарался ответить на наиболее типичные из них.
