Краткая теория времени - Карло Ровелли

На протяжении долгого времени мы думали, что не располагаем средствами экспериментальной проверки. Но не так давно стали изучаться различные предложения, которые бы позволили испытать теорию на практике, наблюдая за косвенными следствиями зернистой природы пространства. Была высказана, хотя и не получила успеха, идея о том, что такое строение пространства должно сказываться на распространении света. Разные по длине волны лучи, пересекая зернистое пространство, должны перемещаться со скоростями, которые легко различить. Так происходит в кристалле: свет рассеивается, и красные лучи распространяются быстрее, чем синие, поэтому красный замечаешь чуть быстрее, чем синий. Различие крошечное, но увеличивается с удлинением траектории. Его можно было бы выявить, изучая лучи из самых отдаленных галактик. Чтобы проверить теоретические предсказания таким путем, нужны измерения высокой точности.

Однако подлинная проблема заключается в том, что из самой теории такого следствия не вытекает, поскольку оно нарушило бы природную симметрию, известную как «локальная симметрия Лоренца». Точные подсчеты показали, что в теории не может быть нарушений этой симметрии. Параллельно этому измерения лучей в космосе подтвердили, что и при распространении света подобного нарушения не происходит: даже в излучении, которое приходит с самого большого расстояния, разные цвета достигают нас одновременно. Такой вывод, следовательно, поддерживает правоту теории, но несколько обманчивым образом: теория предсказала, что мы не увидим различий, и мы их действительно не видим. С другой стороны, интересно, что эти расчеты можно проверить на самых малых масштабах: если бы что-то происходило, мы могли бы это увидеть. Это позволяет нам думать, что вполне можно выявить следствия, порожденные теми или иными явлениями в планковском масштабе, то есть на уровне элементарных петель квантованного гравитационного поля.

Следствия теории, имеющие бо́льший шанс, что их можно будет наблюдать, обнаруживаются в другой области – в космологии. Там применение петлевой теории в последние годы вызвало огромный интерес, и это та область, которая наиболее активно исследуется.

Первичная космология

За тридцать лет космология сделала впечатляющий шаг в своем развитии. У нас есть теперь значительные и все растущие познания об истории Вселенной и о ее расширении. В 1998 году мы обнаружили, что Вселенная не просто расширяется, но что это расширение происходит с ускорением. Вселенная увеличивается все быстрее. Это расширение с ускорением часто описывают как действие таинственной «темной энергии», но такие выражения не слишком-то уместны. Это ускорение уже было описано в классической теории Эйнштейна – если вспомнить, что значит в ее уравнениях термин «космологическая постоянная». Эйнштейн показал существование такого явления, хотя никто (включая его самого) не воспринимал этого всерьез до открытия расширения с ускорением. При нынешнем состоянии наших познаний будущее Вселенной выглядит как все более и более стремительное удаление галактик друг от друга.

На другом конце истории сумрак тайны сгущается. И петлевая квантовая гравитация может пролить свет на этот момент. Сразу после Большого взрыва Вселенная была очень маленькой. Можно сказать, что она состояла из малого количества пространственных зерен. Эти первоначальные зерна могли оставить следы в наблюдаемой ныне структуре Вселенной, следы, заметные как космическое фоновое (реликтовое) излучение. Это излучение можно вычислить с большой точностью, и оно предоставляет нам много сведений о структуре Вселенной. И хотя приближенно эволюцию большой Вселенной как непрерывного пространства можно смоделировать, этого не получается сделать для начальных ее мгновений. В данном случае следует открыто принимать в расчет зернистую структуру пространства, а значит, использовать уравнения петлевой теории – и получить описание того, что происходило во время и сразу после Большого взрыва.

Уравнения общей относительности Эйнштейна утрачивают силу, когда речь заходит о Большом взрыве, потому что по ним мы получаем бесконечное число количественных значений и подсчет оказывается невозможным. Без теории квантовой гравитации нельзя ничего с уверенностью сказать о том, что происходило при Большом взрыве. Если пытаться просчитать это с помощью старого уравнения Уилера – Девитта, то оно окажется столь же несостоятельным, сколь и классическая теория Эйнштейна. Развитие во времени приостанавливается в момент Большого взрыва, и все перечисленные уравнения теряют смысл. Уравнения же, предложенные петлевой теорией, напротив, равным образом работают и для момента Большого взрыва. И причина именно в зернистости пространства. По мере приближения к Большому взрыву Вселенная все больше сжимается, но не становится «бесконечно» малой, поскольку в теории петель невозможно приписать объемам произвольно малый размер: пространство квантовано, и существует минимальный объем, ниже которого спуститься нельзя.

В США Абей Аштекар и его исследовательская группа развили эти идеи. Первые их неожиданные выводы указывают на то, что Большой взрыв не был подлинным началом событий, а скорее должен рассматриваться как скачок, последовавший за фазой сжатия Вселенной. Такое заключение достаточно надежно, его выводят разными путями. С теоретической точки зрения, большим шагом вперед стало то, что появились уравнения, которые не перестают функционировать при приближении к Большому взрыву. И эти уравнения не приводят к абсурдным бесконечным количествам, а позволяют просчитать, что происходило сразу после Большого взрыва и даже раньше. А с точки зрения научных наблюдений, полученный результат важен, потому что эти уравнения, касающиеся эволюции Вселенной и выведенные на основе квантовой гравитации, слегка отличаются от уравнений классической теории, применяемых в космологии. Разница может иметь ощутимые последствия для наблюдений реликтового излучения в космосе. Такие спутники, как COBE (англ. Cosmic Microwave Background Explorer), WMAP (англ. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и «Планк», все с большей точностью измеряют параметры этого слабого рассеянного излучения в космическом пространстве.

Теория петель позволяет рассчитывать подлежащее измерениям воздействие квантовой гравитации на траекторию космического реликтового излучения. Спектр колебаний в силе реликтового излучения по длине волны должен быть иным, чем в подсчетах, сделанных в рамках классической теории. Сейчас погрешность измерительных инструментов пока больше, чем уровень различий, предсказанных современной квантовой теорией, но, можно надеяться, придет день, когда на основе наблюдения можно будет сличить результаты тех и других подсчетов.

В марте 2014 года группа астрономов, работавших на радиотелескопе, установленном в Антарктике, объявила, что детектировала первичные гравитационные волны посредством анализа поляризации реликтового излучения. Если это так, то это выдающееся достижение для науки в космосе: впервые стало возможным прямое наблюдение следов тех явлений, которые произошли почти сразу после Большого взрыва и до того, как возникло излучение, ставшее реликтовым. Это открытие – первый шаг по направлению к тому, что эффекты квантовой гравитации станут для нас реально обозримыми.

Эти наблюдения еще не обладают той степенью точности, чтобы теория могла напрямую воспользоваться ими, но они к ней приближаются. Мы уже измеряем воздействие явлений, близких к планковской эре: тридцать лет назад эта область казалась совершенно недоступной, сейчас она почти уже у нас под рукой. Более того, похоже, мы выявили соответствие между изменениями реликтового излучения, порожденными в самом начале существования Вселенной, и квантовыми колебаниями гравитационного поля. Итак, у квантовой гравитации есть с чего начать. Пространство-время колеблется, и колеблется оно согласно утверждениям квантовой теории.