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

Классическая физика говорит, что объекты замедляются, ускоряются или отклоняются от первоначального курса по той причине, что они воздействуют друг на друга с определенной силой, например электрической или гравитационной. Величина силы зависит от относительного положения объектов, в частности от того, как далеко они разнесены. Что происходило или могло произойти между этими объектами в прошлом, не имеет значения. Когда-то они могли столкнуться друг с другом, но после разлета их притяжение или отталкивание было не больше и не меньше, чем притяжение и отталкивание всего остального на таком же расстоянии. Пространство одинаково для всех. Когда вы далеко от любимого человека, физическая связь между вами ничуть не сильнее, чем связь между двумя кусками угля.

Таким образом, пространство выполняет роль организующего принципа естественного мира — клея, который соединяет Вселенную, как выразился английский физик Джулиан Барбур. Физические объекты не взаимодействуют как попало — их поведение определяется тем, как они связаны друг с другом, а это зависит от того, где они находятся в пространстве в данный момент. Эту структурную роль легче всего заметить в классических законах механического движения, однако она просматривается и в теориях поля. Величина и скорость изменения поля в разных точках пространства полностью определяют поведение поля, а точки самого поля взаимодействуют только с ближайшими соседями.

Я не хочу создавать впечатление, что теории, построенные на основе пространства, всегда способны отражать реальный мир, на деле это не так. Я уже упоминал некоторые их ограничения в предыдущих главах. Так, противоречия возникают при попытках объединения дискретных объектов и непрерывных полей. И ньютоновские, и эйнштейновские законы движения не действуют в так называемых сингулярностях, где физические количественные показатели, такие как скорость или плотность, становятся бесконечными. Впрочем, несмотря на эти исключения, физики всегда располагают элементы своих теорий в пространстве. Даже в квантовой механике, если отбросить загадки запутанности, взаимодействия в пределах системы ограничены расположением в пространстве.

Можно, однако, подойти к этой логике с противоположной стороны. Физики и философы могут определять пространство через наличие у мира в нем совершенно определенной структуры. Иными словами, не утверждать, что пространство придает миру упорядоченность, а сказать, что мир упорядочен и пространство является подходящим понятием для описания этого порядка. Мы видим, что объекты влияют друг на друга определенным образом, и на этом основании говорим, что они расположены в пространстве. Такая структура имеет два важных аспекта. Во-первых, влияния, оказываемые на нас, являются иерархическими. Одни объекты влияют на нас сильнее, чем другие, и по этому различию мы судим о расстоянии до них. Слабое воздействие указывает на большое удаление, а сильное — на близость. Философ Дэвид Альберт называет расстояние, определенное таким образом, «интерактивным». «То, что лев близко, означает, что он может напасть на меня», — говорит он. Это совершенно иной образ мышления, чем тот, к которому мы привыкли. Вместо того чтобы кричать: «Осторожно, лев близко, он может напасть!», мы говорим: «О! Лев может напасть, должно быть, он близко».

Во-вторых, различные влияния взаимно сообразны. Если носорог тоже может напасть на меня, значит он также находится близко. А если и лев, и носорог могут напасть на меня, то у них должна быть возможность напасть и друг на друга. (И в самом деле, от этого зависит моя жизнь.) Из такого распределения влияний мы выводим пространство. Если угрозу, создаваемую хищниками, будет невозможно выразить через расстояние в пространстве, то пространство потеряет смысл. Менее мрачен пример с триангуляцией. Столбики индикатора сигнала в вашем мобильном телефоне показывают силу связи телефона с вышкой сотовой связи и, таким образом, ваше расстояние от этой вышки. В экстренной ситуации телефонная компания может определить положение вашего телефона путем измерения силы связи с несколькими вышками и использования триангуляции или другого метода пространственных измерений. Тот факт, что измерения указывают на одну точку, говорит о наличии у вас местоположения.

•

Сильной стороной определения пространства с точки зрения структуры является то, что оно позволяет обойти некоторые давние споры о природе пространства. Античные атомистывоспринимали пространство как само собой разумеющуюся сущность, а Аристотель считал его абстракцией, которая давала возможность описывать устройство Вселенной. Как бы то ни было, в любом случае пространство отражает структуру естественного мира. Если правы атомисты и пространство существует независимо, то оно должно быть высокоупорядоченным, вроде тщательно сотканной ткани, с тем чтобы выполнять функции, необходимые физикам. Если же пространство — простая абстракция, то содержимое Вселенной должно быть связано воедино правильным образом, чтобы наполнять смыслом абстракцию.

На первый взгляд мы ничего не получаем от присвоения порядку атрибута первичности. Мы просто меняем одну загадку на другую — ведь теперь нам нужно объяснить порядок. Физик-теоретик Ли Смолин из Института теоретической физики «Периметр» называет это «обратной проблемой». Однако проблема — это одновременно и возможность, поскольку теперь можно предположить, что представляла бы собой Вселенная без определенной упорядоченности. Она могла бы не быть пространственной. Пространство можно не считать абсолютной необходимостью, а рассматривать как одно из возможных состояний Вселенной, подобно тому как мы считаем лед одним из состояний воды. Аналогия со льдом и в самом деле неплоха. Вода находится в твердом состоянии в более узком диапазоне условий, чем тот, в котором она пребывает в газообразном состоянии. Точно так же пространство может быть исключением, а не правилом — большинство предлагаемых теорий объединенной физики предполагает, что в основном возможные состояния Вселенной непространственны. «Существование пространства-времени — совершенно нехарактерное состояние, — говорит Моше Розали, приверженец теории струн из Университета Британской Колумбии. — Для него необходимо наличие особых условий». Возможно, именно в промежуточном состоянии между порядком и беспорядком, пространством и отсутствием пространства мы найдем всеобъемлющее объяснение явлений нелокальности, которые так озадачивают физиков.

Сказанное во многом относится и ко времени. Я сфокусировал внимание на пространстве по той причине, что так делают большинство исследователей, — примеры нелокальности для времени намного менее ясны. Смолин и философ Тим Модлин в своих книгах настаивают на том, что время не эмерджентно, о чем мы поговорим позднее. Так или иначе, каким бы ни был его статус, время играет активную организующую роль во Вселенной и, как и пространство, имеет два аспекта. Во-первых, оно иерархично. События могут быть тесно связанными, отдаленно связанными и несвязанными. Они происходят в логичной последовательности, одно событие влечет за собой другое в соответствии с законами физики. Например, в классическом психологическом тесте вам показывают ряд рисунков и предлагают расположить так, чтобы они представляли связанную историю. Собака отряхивается; собака залезает в воду; собака выскальзывает из ошейника. Без определенного порядка эти рисунки не связаны, при правильном размещении они складываются в сцену, знакомую любому владельцу собаки. Даже нелинейная проза вроде «Бойни номер пять» (Slaughterhouse-Five) или «Облачного атласа» (Cloud Atlas) имеет хронологическую логику.