Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

Десятилетия спустя, во время подготовки к докладу по квантовой физике, Исмаэль вспомнила о калейдоскопе и купила себе новый — блестящую медную трубочку в бархатном футляре. Она вдруг поняла, что это готовая аналогия нелокальности в физике. Возможно, частицы в экспериментах со спутанностью или галактики в дальних концах наблюдаемого пространства ведут себя странно потому, что они в реальности являются проекциями — или, иначе, вторичными образованиями — объектов, существующих совсем в другой области. «В случае калейдоскопа мы знаем, что делать: нам нужно увидеть систему в целом; нам нужно увидеть, как создается пространство изображений, — говорит Исмаэль. — Но как построить аналог для квантовых эффектов? Это означает, что нужно смотреть на пространство в том виде, в каком мы его знаем, — повседневное пространство, в котором мы судим об измерениях в различных его частях, — как на эмерджентную структуру. Возможно, когда мы смотрим на две части, мы видим одно и то же событие. Мы взаимодействуем с одной и той же частичкой реальности из различных частей пространства».

Исмаэль и другие ставят под вопрос допущение, которое делает практически каждый физик и философ со времен Демокрита, допущение о том, что пространство — это самый глубокий уровень физической реальности. Подобно тому как сценарий пьесы описывает действия актеров на сцене, заранее предполагая существование этой сцены, законы физики традиционно принимают существование пространства как данность. Сегодня мы знаем, что Вселенная глубже, чем объекты, расположенные в пространстве. Проявления нелокальности выпадают из пространства — им нет места в его границах. Они предполагают существование более глубокого, чем пространство, уровня реальности, где концепция расстояния становится неприменимой, где объекты, вроде бы расположенные далеко друг от друга, фактически находятся рядом или вообще являются одним и тем же объектом, проявляющимся в нескольких местах подобно образам одного кусочка стекла в калейдоскопе. Если мыслить с точки зрения такого уровня, то связи между элементарными частицами на лабораторном столе, между внутренней и внешней областями черной дыры и между отдаленными частями Вселенной перестают казаться призрачными. Майкл Хеллер, физик, философ и пастор Папской академии теологии в Кракове, Польша, говорит: «Если вы соглашаетесь с тем, что фундаментальный уровень физики нелокален, все становится естественным, поскольку эти две частицы, находящиеся далеко друг от друга, находятся на одном и том же фундаментальном нелокальном уровне. Для них время и пространство не имеют значения». Только когда вы пытаетесь связать эти явления с пространством — что простительно, поскольку нам трудно мыслить иначе, — они не поддаются пониманию.

Идея существования более глубокого уровня кажется естественной — в конце концов, физики всегда стремились найти именно это. Когда им не удавалось понять какой-нибудь аспект мира, они считали, что нужно копнуть поглубже. Они углублялись и искали строительные блоки. Насколько загадочно, скажем, превращение воды в пар или лед. Тем не менее эти превращения становятся совершенно логичными, если жидкость, пар и твердое вещество являются не элементарными субстанциями, а просто формами одной фундаментальной субстанции. Аристотель считал состояния воды различными воплощениями так называемой первичной материи, а атомисты дальновидно полагали, что это переход атомов в более плотное или свободное состояние. В целом строительные блоки материи приобретают свойства, которых у индивидуальных блоков нет. Молекула воды не является мокрой, а атом углерода — живым, однако их множество, объединенное определенным образом, может приобретать такие качества. Аналогичным образом пространство может складываться из частиц, которые по отдельности не являются трехмерными. Эти частицы могут разъединяться и соединяться в непространственные структуры вроде тех, на которые указывают черные дыры и Большой взрыв. «Пространство-время не обязательно фундаментально, — говорит теоретик Нима Аркани-Хамед. — Оно должно состоять из чего-то более элементарного».

Такое представление полностью переворачивает физику. Нелокальность перестает быть загадочной — это реальное состояние всего, а вот локальность становится загадкой. Если мы больше не можем принимать пространство как данность, то нужно объяснить, как оно возникает — само по себе или в единстве с временем. Понятно, что создание пространства не такой простой процесс, как объединение молекул и образование жидкости. Что могут представлять собой его строительные блоки? Обычно мы исходим из того, что строительные блоки должны быть меньше, чем сущности, состоящие из них. Один мой друг со своей дочерью как-то построили детальную модель Эйфелевой башни из палочек от фруктового мороженого — вряд ли нужно объяснять, что палочки были меньше башни. Когда дело доходит до пространства, характеристика «меньше» пропадает, поскольку размер сам по себе — понятие, связанное с пространством. У строительных блоков не может быть такого аспекта, как пространство, если они должны объяснять его. У них не должно быть ни размера, ни положения, они везде, простираются на всю Вселенную и нигде — в силу того что невозможно указать на место. Что означает для сущностей отсутствие положения? Где они должны находиться? «Когда мы рассуждаем об эмерджентном пространстве-времени, оно должно возникать из некоей базовой структуры, которая очень далека от того, с чем мы знакомы», — говорит Аркани-Хамед.

В западной философии сфера за пределами пространства традиционно считается чем-то выходящим за пределы физики — это епархия Бога в христианской теологии. В начале XVIII в. «монады» Готфрида Лейбница — простейшие элементы Вселенной, по его разумению, — существовали, подобно Богу, вне пространства и времени. Его теория была шагом в сторону эмерджентного пространства-времени, однако оставалась метафизической, имея лишь туманную связь с миром конкретных объектов. Чтобы физики могли объяснить пространство как нечто эмерджентное, им необходимо взять концепцию отсутствия пространства под свое крыло.

Эйнштейн предвидел эти сложности. «Возможно… мы должны также отказаться, в принципе, от пространственно-временного континуума, — писал он. — Не так уж невероятно, что человеческий гений однажды найдет методы, позволяющие идти таким путем. В настоящее время, однако, такая программа похожа на попытку дышать в пустом пространстве». Джон Уилер, признанный теоретик гравитации, выдвигал предположения о том, что пространство-время выстроено из «предгеометрии», но допускал, что это не более чем «идея ради идеи». Даже такой неуемный человек, как Аркани-Хамед, высказывает сомнения: «Эти проблемы очень сложны. Нашего языка не хватает, чтобы говорить о них».

Почему Аркани-Хамед не останавливается, так это потому, что он с коллегами нащупал именно ту разновидность методов, о которой говорил Эйнштейн, — методы описания физики в отсутствие пространства, возможность дышать в вакууме. Аркани-Хамед рассматривает эти достижения в исторической перспективе: «Более 2000 лет люди пытались постичь глубинную природу пространства и времени, но их усилия были преждевременными. Наконец мы дождались эпохи, когда можноставить такие вопросы и надеяться на имеющий смысл ответ».

Вместо принятия пространства как данности давайте переосмыслим, что мы на самом деле подразумеваем под ним и как обойтись без него. В соответствии с классическими законами физики, открытыми Ньютоном и изучаемыми сегодня в средней школе, положение и скорость объектов в полной мере характеризуют мир. Эти количественные характеристики, взятые в некоторый момент, отражают, как все происходит, где это происходит и что произойдет в будущем. Мир можно представить как одно из гигантских хитроумных устройств Руба Голдберга, которое построили в заброшенном ангаре и выложили на YouTube: как только все будет на месте, вы приведете ее в движение, и все остальное не заставит себя ждать. Если разместить атомы в форме лягушки и придать им правильную скорость, лягушка оживет — ей не понадобится дополнительный электрический разряд.