Семь этюдов по физике - Карло Ровелли

Возможно, сейчас та же история повторяется с группой теорий, известных как «суперсимметричные», которые предсказывают существование нового класса частиц. Всю свою карьеру я слушал коллег, уверенно ожидающих неизбежного появления этих частиц. Минули дни, месяцы, годы и десятки лет – однако суперсимметричные частицы до сих пор себя не проявили. Физика – это не только история успехов.

Итак, пока мы вынуждены довольствоваться Стандартной моделью. Может, она не очень-то изящна, однако, описывая мир вокруг нас, работает прекрасно. И кто знает – возможно, при более тщательном изучении окажется, что это не модели не хватает элегантности. Что, если это мы еще не научились смотреть на нее под правильным углом, таким, под которым обнаружится ее скрытая простота?

Итак, на данный момент мы знаем о материи следующее: это горсточка типов элементарных частиц, которые непрерывно колеблются между существованием и несуществованием, мельтешат в пространстве, даже когда кажется, что оно пусто, и объединяются вместе в бесконечность, как буквы космического алфавита, рассказывая грандиозную историю галактик, неисчислимых звезд, солнечного света, гор, лесов и нив, улыбающихся молодых лиц на вечеринках и ночного неба, усыпанного звездами.

Несмотря на определенные неясности, неточности и все еще не разрешенные вопросы, физика, которую я обрисовал, обеспечивает лучшее описание мира, чем мы когда-либо имели в прошлом. Так что мы должны были бы чувствовать себя вполне удовлетворенными. Но увы.

В самой основе нашего понимания физического мира есть парадокс. XX век подарил нам две жемчужины, о которых я говорил: общую теорию относительности и квантовую механику. Из первой развились космология, астрофизика, исследование гравитационных волн, черных дыр и много чего еще. Вторая легла в основу атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, физики конденсированного состояния вещества и многого-многого другого. Две теории, такие щедрые на приложения, краеугольный камень современных технологий, изменивших нашу жизнь. И все же обе теории не могут быть верны одновременно, по крайней мере в своих современных формулировках, поскольку они противоречат друг другу.

Студента университета, посещающего лекции по общей теории относительности по утрам, а по квантовой механике по вечерам и заключившего, что его профессора или дураки, или пренебрегали общением друг с другом по меньшей мере сто лет, следует простить. Утром мир – искривленное пространство, где все непрерывно, а вечером – плоское пространство, где скачут кванты энергии.

Парадокс в том, что обе теории работают удивительно хорошо. Природа ведет себя с нами, как тот пожилой раввин, к которому пришли двое мужчин разрешить свой спор. Выслушав первого, раввин говорит ему: «Ты прав». Второй настаивает на том, чтобы его тоже выслушали, раввин выслушивает и говорит: «И ты прав». Из соседней комнаты раввину кричит его жена: «Но не могут же они оба быть правы!» Он задумывается, а потом кивает: «И ты тоже права».

Группа физиков-теоретиков, рассеянная по пяти континентам, старательно пытается решить эту проблему. Область их исследований называется квантовой гравитацией. Их цель – найти теорию, то есть набор уравнений (но прежде всего – внутренне непротиворечивое видение мира), с помощью которой удалось бы разрешить сегодняшнюю шизофрению.

Физика не впервые сталкивается с двумя в высшей степени успешными, но очевидно противоречивыми теориями. Усилия по объединению, прикладывавшиеся в прошлом, были вознаграждены колоссальным шагом вперед в нашем понимании мира. Ньютон открыл всемирное тяготение, связав параболы Галилея с эллипсами Кеплера. Максвелл написал уравнения электромагнетизма, совместив электрическую и магнитную теории. Эйнштейн сформулировал теорию относительности, стремясь разрешить очевидное противоречие между электромагнетизмом и механикой. На самом деле физик счастлив, когда находит подобное противоречие между успешными теориями: это уникальный шанс. Сможем ли мы построить концептуальный каркас для размышлений о мире, который согласовывался бы с тем, что мы уже узнали благодаря обеим теориям?

Здесь, за границей знания, на переднем крае, наука становится еще красивее – раскаленная в горниле зарождающихся идей, прозрений, дерзаний. Путей выбранных и позже оставленных, увлеченности. В стремлении представить то, чего прежде еще никто не мог вообразить.

Двадцать лет назад туман был плотным. Сегодня сквозь него проступили очертания, внушившие воодушевление и оптимизм. Наметившихся направлений для поиска несколько, так что нельзя сказать, что проблема решена. Разнообразие рождает споры, но полемика приносит пользу: пока туман окончательно не рассеется, хорошо иметь критические замечания и противоположные точки зрения. Одна из главных попыток разрешить проблему – направление исследований под названием «петлевая квантовая гравитация», развиваемое большой командой ученых, которые работают во многих странах.

Петлевая квантовая гравитация – это дерзновение объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Однако это попытка осторожная, поскольку используются только гипотезы, уже содержащиеся в этих теориях, – переписанные соответственным образом, чтобы сделать их совместимыми. Но ее следствия радикальны: дальнейшее глубокое преобразование того, как мы смотрим на структуру реальности.

Идея проста. С одной стороны, общая теория относительности научила нас тому, что пространство – не статичная коробка, а скорее нечто динамичное: своего рода необъятная гибкая раковина улитки, в которую мы заключены и которая способна сжиматься и изгибаться. С другой стороны, квантовая механика научила нас тому, что каждое поле состоит из квантов и имеет мелкозернистую структуру. Отсюда немедленно следует, что физическое пространство также сделано из квантов.

И действительно, важнейший результат петлевой квантовой гравитации в том, что пространство не непрерывно, не бесконечно делимо, а составлено из песчинок – «атомов пространства». Они чрезвычайно мелки: в миллиард миллиардов раз меньше самого маленького атомного ядра. Теория описывает эти «атомы пространства» в математической форме и предлагает определяющие их эволюцию уравнения. Песчинки пространства назвали «петлями», или кольцами, поскольку они соединяются друг с другом, формируя сеть связей, из которых соткана текстура пространства, – словно кольца искусно сплетенной необозримой кольчуги.

Где эти кванты пространства? Нигде. Они не где-то в пространстве, поскольку они сами и есть пространство. Пространство создано сцеплением этих отдельных квантов гравитации. Опять-таки представляется, что мир – больше не об объектах, а о взаимодействиях.

Однако самое поразительное следствие теории – второе. Подобно тому как исчезает понятие непрерывного пространства, содержащего в себе объекты, пропадает также и понятие базового и первичного «времени», которое течет независимо от объектов. Уравнения, описывающие песчинки пространства и материи, больше не содержат временно́й переменной. Это не означает, что все стационарно и неизменно. Напротив, это значит, что изменение вездесуще – но элементарные процессы не могут упорядочиваться в привычную последовательность «моментов». На мельчайшем уровне песчинок пространства танец природы не происходит в ритме взмахов палочки единственного дирижера оркестра, в едином темпе: каждый процесс танцует независимо от своих соседей, в своем собственном ритме. Ход времени – «встроенное» свойство мира, оно зарождается в нем самом во взаимоотношениях между квантовыми событиями, составляющими мир, которые сами и есть источник времени.