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

Такой вид самоорганизации постоянно наблюдается в физике. Так, у отдельной молекулы воды нет температуры. Температура приобретает смысл, когда молекулы сталкиваются и обмениваются энергией. Если смешать холодную и горячую воду, то холодная вода будет нагреваться, а горячая остывать до тех пор, пока температуры не сравняются. До наступления равновесия вода характеризуется двумя температурами, а после — одной. Из сложности возникает простота. Сложность, впрочем, не исчезает, а остается скрытой. Это можно заметить при изменении температуры или при фазовых переходах, например при кипении воды в чайнике. Физики обычно используют эти отклонения от стандартного поведения как окно для изучения микроскопического состава материалов.

То же самое может происходить и с пространством. Базовые строительные блоки природы могут обладать способностью к запутанным взаимосвязям вроде тех, что заполняют газету со светскими сплетнями. В результате действия некоторых механизмов организации или простого усреднения эти взаимосвязи становятся упорядоченными, так что их можно разбить на пространственную решетку, и действуют строго определенным образом. Умопомрачительно сложная сеть взаимодействий сокращается до нескольких чисел, которые мы называем «положением» и «временем». При этом базисная сложность никуда не уходит. В черных дырах, например, система может терять упорядоченность, а события — лишаться положения и времени. Даже когда система пространственна, в ней остается масса скрытой сложности. Вселенная, которую мы видим как разворачивающуюся в пространстве, может быть всего лишь поверхностью, где мы плаваем вроде маленьких лодочек, в то время как чудовища ворочаются в глубинах.

Представление о пространстве как о сети восходит к 1960-м гг. и мозговым штурмам, устраиваемым такими теоретиками-новаторами (и иконоборцами), как Джон Уилер, Дэвид Бом, Роджер Пенроуз и Дэвид Финкельштейн. Уилер, например, предложил образ корзины с «пылью» или «колечками» — существующими не в пространстве, а просто существующими примитивными крупинками материи, — которые взаимно связываются и образуют пространство. Физики уже не одно десятилетие пытаются заставить эту идею работать. Сегодня одним из самых активных энтузиастов в этом деле является Фотини Маркопоулоу, которая представляет процесс взаимосвязывания в виде графа, похожего на те, что отражают связи в Facebook. Она вместе с коллегами называет такой подход «квантовым граффити» с претензией на остроумие, впрочем, любые попытки добавить толику юмора в жаргон, используемый физиками, не вредят делу.

Квантовое граффити не определяет, что именно представляют собой уилеровы крупинки, — это дело полномасштабной квантовой теории гравитации, такой как теория петлевой квантовой гравитации или теория струн. Квантовое граффити — это теория в миниатюре, которая узко сфокусирована на том, что можно построить из этих крупинок. Философия Маркопоулоу и ее коллег исходит из того, что детальная картина не имеет значения, поскольку принципы организации должны быть универсальными. В конце концов, физики ведь обнаружили, что одни и те же правила определяют поведение огромной массы разнообразных сложных систем, от землетрясений и экосистем до экономики. Отрицательным моментом является то, что предельный минимализм квантового граффити создает проблему связи с общепринятой физикой. «Фотини пытается прыгнуть напрямую, однако это очень амбициозно и опасно из-за отсутствия связей с существующими теориями», — говорит Клаус Кифер из Кёльнского университета.

Связи между элементарными крупинками просты настолько, насколько возможно. Две крупинки либо соединены друг с другом, либо нет, как пользователи Facebook, которые могут иметь друзей или не иметь, — просто связь типа «включено-выключено». Полученная в результате сеть похожа на нитяную графику, когда вы забиваете гвозди (представляющие крупинки) в доску и соединяете нитками (связи) некоторые из них. Несмотря на простоту конструкции, такая сеть может иметь огромное разнообразие форм, от скелетных контуров до сложнейших мандал.

Чтобы вдохнуть в сеть жизнь — наделить ее способностью эволюционировать, — Маркопоулоу с коллегами предусматривает возможность включения и выключения связей в зависимости от количества доступной энергии. Этот процесс ситуативен, однако не нужно забывать, что цель заключается не в создании пуленепробиваемой теории, а в поиске возможных механизмов создания пространства. Каждая связь представляет определенное количество энергии. Цепочки связей содержат меньше энергии, чем эквивалентное количество изолированных связей, поэтому суммарная энергия сети зависит не только от количества связей, но и от их организации. Чем сложнее система, тем больше энергии она содержит.

Энергия достигает максимума в полностью взаимосвязанной сети, где каждая крупинка соединена со всеми остальными. В такой сети принцип локальности не соблюдается — вы можете перейти от отдельно взятой крупинки к любой другой крупинке одним скачком без прохождения через промежуточные точки. В сети отсутствует иерархия связей — близкое-далекое, маленькое-большое, — которая характерна для пространства. Вы не можете разделить ее на отдельные части — это неделимое целое. «В этой сущности нет понятия локальности… — объясняет Маркопоулоу. — Если вы просто протянете руку, то сможете дотянуться до всего в целой Вселенной».

Чтобы понять, почему высокоэнергетическая сеть непространственна, попытайтесь присвоить местоположение крупинкам. Каждая из них должна быть равноудаленной (один прыжок) от любой другой. Для первых трех крупинок это не проблема — расположите их в вершинах равностороннего треугольника. Четыре крупинки можно расположить в виде пирамиды. Но что делать с пятой? Местоположения, равноудаленного от первых четырех крупинок, не существует, по крайней мере в обычном трехмерном пространстве. Вам необходима четырехмерная пирамида. На деле каждая следующая крупинка требует нового измерения пространства. Очень быстро вы получите ультрамногомерный мир, который невозможно визуализировать. И по большей части это гигантское нагромождение не нужно — сеть имеет ширину всего в один прыжок в любом направлении и очень сильно похожа на скатанную в шар паутину. Поэтому, хотя можно по-прежнему рассуждать о сети как о существующей в пространстве, это не то пространство, которое нам нужно: три измерения, тянущиеся настолько, насколько мы можем видеть, в каждом направлении и позволяющие удобно описывать взаимосвязи между объектами.

Низкоэнергетические модели — это отдельная история. Это то, что нам нужно. Каждая крупинка соединяется всего лишь с несколькими другими, образуя правильную решетку вроде сот или ткани. Понятие расстояния обретает смысл: одни крупинки находятся ближе друг к другу, другие дальше. Сеть прекрасна и просторна. Принцип локальности соблюдается: чтобы воздействие передалось из одного места в другое, оно должно не перепрыгнуть, а проделать определенный путь по сети. На прохождение сигнала требуется время, которое объясняет, почему скорость объектов в пространстве ограничена (скоростью света).