Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания - Элисон Джордж

Мы живем в квантовой Вселенной. Посмотрите внимательно вокруг, и вы обнаружите, что все мы являемся запутанными волнами комплексной вероятности. В большинстве разделов физики основополагающая квантовая реальность демонстрирует невиданное богатство мира, в котором мы живем. Все частицы, обнаруженные нами, вместе с электромагнитными и ядерными силами описываются квантовой теорией поля, которая может предсказать результаты каждого эксперимента, который когда-либо был или будет проведен. Но есть одна область физики, где введение законов квантовой механики приносит больше головной боли, чем пользы, – это гравитация.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил закон физики, описывающий гравитацию. Однако наше современное понимание исходит от Альберта Эйнштейна, чья общая теория относительности учит нас, что гравитация, которую мы знаем, – на самом деле изгиб и искривление пространства и времени. Мы не можем отделить гравитацию от пространственно-временной арены, на которой мы живем. Чтобы примирить квантовую механику с гравитацией, нам нужно разобраться, как законы квантовой механики с их случайностью и неопределенностью могут быть применимы к пространству и времени. Это – вызов квантовой гравитации.

Если вас интересуют подробности только тех процессов, что задействуют малые объемы энергии, то будет довольно просто последовательно совместить общую теорию относительности и квантовую механику в область, которая называется эффективной теорией поля. Но при манипуляции высокими энергиями все становится сложнее. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, что положение частицы немного размыто – вы никогда не сможете сказать наверняка, где она находится. В квантовой гравитации те же идеи распространяются на пространство и время. Место, где вы сидите, постоянно флуктуирует, поскольку испытывает квантовые дрожания. То же самое относится и к «теперь», которое вы переживаете. Рассматривая их на достаточно больших расстояниях и временных отрезках, мы просто не замечаем эти флуктуации. Именно в этом случае работает эффективная теория поля. Но как только мы уменьшаем масштабы, случайность усиливается, при этом пространство и время испытывают более бурные флуктуации. Цель квантовой гравитации – разобраться в этих флуктуациях на малых масштабах.

В науке мы обычно проводим опыты, чтобы продвинуться вперед, но в случае квантовой гравитации это несколько затруднительно. Нашим самым мощным микроскопом является Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц на встречных пучках в ЦЕРН в Женеве. Рабочий масштаб его исследования Вселенной составляет 10–20 метров. Каким бы он ни был крохотным, это все равно в миллион миллиардов раз больше масштаба, на котором мы ожидаем заметить флуктуации пространства и времени. В настоящее время наши лучшие эксперименты пока далеки от наблюдения эффектов квантовой гравитации.

Однако мы не ограничиваемся проведением экспериментов только здесь, на Земле. Вселенная огромна, и в ней нашлось место многим экстремальным явлениям, так что вполне возможно найти место, в условиях которого эффекты квантовой гравитации появляются естественным образом. Уже имеется два таких места, где, как мы уверены, квантовая гравитация существенна: в точке Большого взрыва и внутри черных дыр. Поэтому, чтобы узнать, что происходит при встрече квантовой механики и мощи гравитации, нам, возможно, придется отправиться назад во времени к первым мгновениям Большого взрыва или исследовать внутренности черной дыры.

Черная дыра – это область пространства-времени, которая искривлена настолько, что ничто оттуда не может выбраться, даже свет. Согласно общей теории относительности, в центре черной дыры находится точка времени, называемая сингулярностью, где кривизна пространства становится бесконечной. Однако всякий раз, когда уравнение в физике дает вам ответ, равный бесконечности, на самом деле его стоит понимать как признание собственного бессилия: это математический способ сказать: «Я не знаю». В случае черных дыр общая теория относительности признает, что значение сингулярности можно найти только в другом месте – в квантовой теории гравитации.

Если бы мы могли наблюдать происходящее рядом с этой сингулярностью, это дало бы представление о том, как работает квантовая гравитация. К сожалению, сингулярность находится за горизонтом событий черной дыры, ограничивающим область, которую свет никогда не сможет покинуть. Если мы хотим ее исследовать, то необходимо перепрыгнуть через горизонт событий.

Другая сингулярность сидит в первом мгновении Большого взрыва. Опять же, она говорит нам, что мы просто не знаем, что там произошло. Мы не знаем, началось ли время с Большим взрывом или было что-то до него. Мы даже не знаем, имеет ли смысл понятие времени при Большом взрыве. Для ответа на эти вопросы нам нужна теория квантовой гравитации. Опять же, если бы мы могли увидеть, что происходило вблизи Большого взрыва, то мы бы получили некоторые драгоценные подсказки. Но это слишком трудно. Дело не только в том, что Большой взрыв случился очень давно: быстрое расширение, произошедшее, как считают, в ранней Вселенной и известное как инфляция, могло вымести все эффекты квантовой гравитации на дальний план.

Во всем этом есть что-то заговорщическое. Природа обеспечивает нам защиту от эффектов квантовой гравитации. Ученый Роджер Пенроуз, работающий в области математической физики, сформулировал гипотезу «космической цензуры», которая утверждает, что сингулярности всегда скрыты от наблюдений. Это можно перевести в точное математическое утверждение об уравнениях общей теории относительности. После 50 лет совместных усилий и математиков, и физиков многие думают, что гипотеза верна, но никто не знает, как ее доказать. В математике вещи, которые кажутся правильными, но не поддаются обоснованию, обычно указывают на некий глубинный факт – но мы не знаем, какой глубокий урок мы должны извлечь из космической цензуры.

Имеются и другие вопросы, многие из которых завязаны на черных дырах и для решения которых мы также остро нуждаемся в квантовой теории гравитации. Они коварны, поскольку как общая теория относительности, так и собранная эффективная теория поля, описывающая квантовую гравитацию, дают разумные ответы. Только теперь мы знаем, что эти теории говорят нам неправду.

Например, в 70-е годы XX века Стивен Хокинг (см. рис. 8.1) учил нас, что черные дыры не совсем черные. Как только вы примите во внимание эффекты квантовой механики, они начнут излучать, давая свет и медленно испаряясь, перед тем как в конце концов исчезнуть. Хокинг отметил, что это приводит к парадоксу.

Рис. 8.1. Стивен Хокинг произносит речь «Почему мы должны отправиться в космос» на одной из лекций цикла, посвященного 50-летию NASA. 21 апреля 2008 года.