Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Выдающийся физик-теоретик прошлого века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман, по многим свидетельствам современников, был очень большим оригиналом. Это подтверждает и его знаменитый «Фейнмановский курс физики», полный новых подходов в изложении уже вроде бы устоявшихся разделов этой науки, и очень часто цитируемая книга «Характер физических законов». Раскрывая связь математики с физикой и анализируя всеобщность физико-математических представлений, выдающийся физик часто обращался к всемирному закону тяготения Ньютона. При этом он любил высказывать парадоксальное мнение, что со времен Ньютона мы ничего не достигли в постижении механизма тяготения.

Тут надо признать, что, как бы ни был своеобразен творческий стиль мышления Фейнмана, в данном случае его мысли полностью противоречат признанной истории физики. Ведь еще в начале прошлого века Альберт Эйнштейн открыл свою общую теорию относительности, создав новую теорию гравитации и наметив путь объединения всех известных взаимодействий с силами всемирного тяготения. Прежде всего это касается объединения теории относительности и квантовой механики. Возникла даже наука-кентавр — «квантовая космология». Она пока еще содержит много противоречий и неточностей, да и само ее право на существование признается далеко не всеми. При этом всегда следует учитывать, что теория относительности необходима для описания общей структуры пространства-времени, а квантовая механика направлена на объяснение поведения субатомных частиц. К сожалению, пока еще эти теории во многом противоречат друг другу. Тем не менее «сверхновая космология» хорошо известна и ставит перед собой амбициознейшую цель объединить два полюса нашей реальности — уровень невообразимо малых квантов и так же трудно вообразимый космологический масштаб Метагалактики.

Как бы там ни было, но оптимистически настроенные физики-теоретики полны надежд, что пусть даже в отдаленном будущем квантовая космология перерастет в «Теорию теорий», связывающую между собой все силы, действующие во Вселенной, с помощью одного-единственного уравнения (рис. 16 цв. вкл.).

Тут я бы хотел приоткрыть некоторые «интимные подробности и секреты» внешне такой консервативной корпорации физиков-теоретиков. Оказывается, внутри «официальной физики», опирающейся на исторически сложившиеся и, самое главное, подтвержденные неисчислимым количеством опытов модели окружающего нас мира, бурлят нешуточные страсти. Там группы молодых еретиков всегда готовы опровергнуть все и вся, невзирая ни на какие авторитеты, и все это управляется вообще мало понятным для непосвященных поветрием под названием «модные направления исследований».

Вот и конец прошлого столетия ознаменовался возникновением двух остро модных и уже конкурирующих направлений в теории квантовой гравитации. У них, как и полагается «квантовым кентаврам», довольно необычные имена — «петлевая квантовая гравитация», более известная аббревиатурой «ПКГ» (тоже дань «физической моде») и «теория суперструн», она же «теория стрингов», она же «мембранная теория», она же «М-теория».

В теории ПКГ на субэлементарном уровне пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы равен кубу с ребром планковской длины (~10-35 м).

Мы уже знаем, что на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности. В квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например очень удаленные участки космоса без звезд, газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых «виртуальных» частиц и неисчерпаемым океаном энергии (рис. 17 цв. вкл.).

Галактики, плывущие на волнах гравитации

Так что до сих пор у нас нет иной модели для теории гравитации, кроме математической. …Каждый новый наш закон — чисто математическое утверждение, притом довольно сложное и малопонятное. Ньютонова формулировка закона тяготения — это сравнительно простая математика. Но она становится все менее понятной и все более сложной по мере того, как мы продвигаемся вперед. Почему? Не имею ни малейшего понятия. Моя цель в том и состоит, чтобы лишь сообщить об этом факте. В нем и заключается смысл всей лекции: нельзя честно объяснить все красоты законов природы так, чтобы люди восприняли их одними чувствами, без глубокого понимания математики. Как ни прискорбно, но, по-видимому, это факт.

Объединить сверхмалый мир квантов и сверхбольшой мир всемирного тяготения, возможно, смогут исследования бездонных провалов черных дыр — застывших звезд-коллапсаров

Первое всеобщее объединение связано с построением квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности. Такое объединение оказалось довольно сложным, и один из его авторов, лауреат Нобелевской премии Поль Дирак, признавался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Следующим, более важным и сложным шагом должна быть связь гравитации и квантовой механики, но пока и здесь нет общепризнанных достижений. Каждый специалист предлагает свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для создания математического аппарата подобной теории понадобится не менее столетия.

Вообще говоря, как бы ни были «сверхреволюционны» новые представления о полях и частицах, все они покоятся на общепризнанной и традиционной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие элементарных частиц напоминает знаменитую игру кембриджских и оксфордских студентов, которую они устраивали после ежегодной не менее знаменитой регаты. Две лодки вечных противников расходились на некоторое расстояние, и один из гребцов, выбранный по жребию, бросал своим соперникам бутылку шампанского. Те должны были поймать ее и тут же повторить бросок, и так далее, пока кто-нибудь не промахивался или не упускал бутылку. Вот если представить лодки обычными частицами, то бутылка шампанского отлично сыграет роль силового поля, будучи сама виртуальным аналогом «реальных частиц». В этом смысле элементарный акт квантового взаимодействия и есть виртуальная частица. Обычные частицы оказываются как бы закутанными в пышную шубу множества виртуальных частиц. Физики так и говорят: «виртуальная шуба».