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

Другие считают, что запутанность требует более радикальных идей. Майкл Хеллер выступает за концепцию, называемую некоммутативной геометрией, с некоторым налетом иронии: фактически цель заключается в отказе от геометрии и в представлении Вселенной в виде большого алгебраического уравнения. Такое уравнение составляется из матриц, вроде матричных моделей, однако интерпретируется по-новому. Матрицы больше не представляют собой ряды чисел, описывающих связи между строительными блоками вроде D0-бран, это индивидуальные сущности, первичные ингредиенты, из которых состоит все остальное.

Точнее говоря, Хеллер и другие сторонники такого подхода принимают взгляд «сверху вниз» на физику, при котором глобальные структуры — те, что охватывают всю Вселенную, — фундаментальны, а локальные геометрические понятия вроде «точек» и «объектов» выводятся из глобальных структур, а не обычный взгляд «снизу вверх», при котором Вселенная строится из огромного количества локализованных сущностей. «Не существует точек, не существует мгновений времени, — говорит Хеллер. — Все глобально. Так что локальность поглощается глобальностью». По аналогии представим, что вместо определения общества как миллионов индивидуумов, которые образуют множество групп, мы определяем его как миллионы групп и идентифицируем каждого индивидуума через членство в группах. (Это не так уж притянуто за уши: философы и социологи вроде Гегеля давно утверждают, что индивидуальная идентичность вытекает в значительной мере из социальной.) Можно представить группы в виде большой диаграммы Венна, и каждая личность будет обозначаться в ней как пересечение определенного набора окружностей. Чтобы такое определение «сверху вниз» работало, группы должны пересекаться правильным образом. В противном случае индивидуумы теряют отчетливую идентичность — может существовать несколько личностей с одним и тем же набором групповых идентичностей, которые невозможно разделить.

Нечто похожее может произойти с глобальными структурами некоммутативной геометрии. При определенных условиях эти структуры соединяются и образуют пространственную вселенную, подчиняющуюся обычным законам физики. При других условиях этого не происходит, и их неидеальная связь порождает нелокальные явления вроде запутанных частиц. Если два обособленных объекта представляют собой просто разные смеси одних и тех же глобальных сущностей, то очевидно, что они могут сохранять внепространственную связь. То, что происходит в одном месте, воспринимает то, что происходит в других местах, без всякой коммуникации в обычном смысле.

•

Модели эмерджентного пространства-времени также дают нам новый подход к пониманию Большого взрыва. Происхождение Вселенной всегда представлялось парадоксальным. Предположительно ничто не предшествовало ей, и все же нечто должно было предшествовать, чтобы привести космос в движение. Парадокс, однако, рассеивается, когда мы представляем Большой взрыв не как внезапный момент создания, а как переходный процесс. Если пространство возникает из непространственных строительных блоков, как жизнь появляется из безжизненных атомов, то рождение Вселенной не более таинственно, чем рождение живого существа. Первоначальный мир, бесформенный и пустой, постепенно самоформируется в пространственную структуру. История доносит до нас древние мифы о создании, в которых первоначальный хаос постепенно разделяется: земля отделяется от неба, ночь от дня, море от суши.

Теоретики, играющиеся с этой идеей, предлагают несколько возможных первоначальных состояний. В соответствии с квантовым граффити, с одной стороны, Вселенная была сетью, насыщенной энергией. Фактически кротовые норы связывали каждую точку пространства со всеми остальными. По мере остывания системы кротовые норы закрывались, части Вселенной приобретали некоторую автономность, а пространство принимало форму, которую мы видим. Матричные модели, с другой стороны, предлагают альтернативный сценарий. Все D0-браны, составлявшие Вселенную на самом глубоком уровне, были взаимосвязаны, однако это не приводило напрямую к связи точек в пространстве. Фактически пространство было разбито на бесчисленные несвязанные части, на архипелаг маленьких вселенных. Физики называют это состояние «ультралокальностью». «Ультра» — потому что островки были не просто автономными, а абсолютно изолированными. Затем некоторые D0-браны оказались запутанными и стали вести себя как цельные единицы — маленькие кусочки пространства. Вновь образованная единица, в свою очередь, становилась запутанной с другими такими же единицами, создавая чуть более крупный кусочек пространства. По мере того как области становились запутанными во все более крупных масштабах, пространство разворачивалось подобно ковру. С точки зрения живущего в таком пространстве это выглядело так, словно возникающие кротовые норы перекрывали пропасть между островами.

Оба сценария должны объяснять, почему Вселенная сейчас выглядит такой однородной. В эпоху до Большого взрыва материя и энергия должны были окружать сеть и распределяться равномерно еще до зарождения и роста пространства. Две галактики на противоположных сторонах неба, разделенные океаном пространства, не могут коммуницировать друг с другом сейчас. Однако на заре времен пространство не существовало, и их ничего не разделяло. Поскольку галактики были связаны напрямую в те времена, их сходство не случайно. Лишь с появлением пространства эта связь разорвалась. «Эта идея пришла как нечто совершенно очевидное, когда я впервые посмотрела на полностью связанный граф в качестве возможной модели начальной фазы существования Вселенной, — вспоминает Маркопоулоу. — Просто взглянула и поняла: здесь не должно быть проблемы горизонта».

Процесс возникновения может объяснить и другие общие свойства Вселенной. Например, астрономы замечают, что первоначальная Вселенная была не однородной, а немного пятнистой. Едва уловимые отклонения от идеальной однородности были зародышами, вокруг которых позднее сконденсировались галактики и другие космические структуры. Весьма любопытно, что пятна выглядят одинаково независимо от их размера. Такая независимость от масштаба — общее свойство некоторых видов фазовых переходов, например процесса превращения сжатого пара в воду. При тонком балансе двух состояний материи условия изменяются скоординированно во всех масштабах. Фазовый переход от отсутствия пространства к его наличию вполне может иметь такой же характер.

•

Черные дыры — это своего рода Большой взрыв наоборот: превращение пространства в отсутствие пространства. В картине эмерджентного пространства-времени они — скопления талой воды в тундре: изолированные места во Вселенной, где пространство буквально тает, его упорядоченная кристаллическая структура превращается в текучую субстанцию. Нам трудно даже представить, на что в действительности похожа эта жидкость. «Что бы это ни было, оно не имеет геометрической интерпретации, — говорит Мартинек. — Понятие традиционной геометрии пространства-времени здесь прекращает существование».

В той мере, в какой возможно визуализировать эту жидкость, она представляется сильно взаимосвязанной сетью — не столько гравитационным пылесосом, сколько космическим лабиринтом. Она фактически бесконечномерная. Объекты, попавшие в нее, не могут вернуться не потому, что их держит сила гравитации, а потому, что им трудно найти выход. Возможно, когда-нибудь это удастся, но в краткосрочной перспективе их положение безнадежно. Их ждет судьба людей, которые звонят в страховую компанию и проводят всю ночь напролет, бродя по кошмарно-бессмысленному телефонному меню. «Эта высокосвязанная область действует как ловушка», — говорит Маркопоулоу.