Соревнование между гравитацией и квантовой физикой принимает новый оборот

Это была крупнейшая из проблем, это была малейшая из проблем.

Сегодня у физиков на руках есть два свода правил, объясняющих, как работает природа. Есть общая теория относительности, отлично описывающая гравитацию и всё, над чем она властвует: движущиеся по орбите планеты, сталкивающиеся галактики, динамика расширяющейся Вселенной. Это крупный масштаб. И есть квантовая механика, работающая с тремя другими взаимодействиями – электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория прекрасно справляется с объяснением происходящего при распаде атома урана или при столкновении отдельных частиц света и фотоэлемента. Это малый масштаб.

А теперь проблема: относительность и квантовая механика – фундаментально различные теории, формулирующиеся по-разному. И это не вопрос научной терминологии, это столкновение по-настоящему несовместимых описаний реальности.

Конфликт между двумя половинами физики зрел более ста лет – начался он с пары работ Эйнштейна от 1905 года, одна из которых описывала относительность, а другая вводила понятие кванта – но недавно он вошёл в очень интересную и непредсказуемую фазу. Два выдающихся физика обозначили экстремальные позиции, каждый в своём лагере, и проводят эксперименты, которые смогут раз и навсегда определить преимущество одного из подходов.

Различие между относительностью и квантовыми системами можно представлять себе, как различие между «гладким» и «зернистым». В ОТО события непрерывны и детерминистичны, то есть каждое действие вызывает определённый локальный эффект. В квантовой механике события, происходящие из-за взаимодействий субатомных частиц, происходят прыжками (ага, квантовыми скачками), с вероятностными, а не детерминистскими, результатами. Квантовые правила позволяют устанавливать связи, запрещённые классической физикой. Это недавно было показано в часто обсуждаемом эксперименте, в котором нидерландские исследователи бросили вызов эффекту локальности. Они показали, что две частицы – в их случае, электроны – могут мгновенно влиять друг на друга, хотя они были разнесены на полтора километра. Если попытаться интерпретировать гладкие релятивистские законы в зернистом квантовом стиле, или наоборот, всё летит в тартарары.

ТО выдаёт бессмысленные ответы, если попытаться уменьшить масштаб до квантовых размеров, и опускается до бесконечных значений при описании гравитации. И наоборот, квантовая механика сталкивается с серьёзными трудностями, будучи раздутой до космических масштабов. Квантовые поля переносят определённое количество энергии, даже во вроде бы пустом пространстве, и чем больше поля, тем больше становится энергия. Согласно Эйнштейну энергия эквивалентна массе (E = mc²), так что накапливать энергию – это всё равно, что накапливать массу. Если накопить её достаточно много, то количество энергии в квантовом поле создаёт чёрную дыру, из-за которой схлопывается вся Вселенная. Ой.

Крэйг Хоган, астрофизик-теоретик в Чикагском университете и директор Центра астрофизики частиц в Фермилаб, заново осмысливает квантовый аспект физики при помощи новой теории, в которой квантовые единицы пространства могут быть достаточно большими, чтобы их можно было изучать. Ли Смолин, основатель Института теоретической физики Периметр в университете Ватерлоо, пытается заставить физику вернуться к философским эйнштейновским корням, а затем протянуть эти корни в интересном направлении.

Чтобы понять, что стоит на кону, взглянем на предыдущие теории. Когда Эйнштейн открыл миру ОТО, она не только заместила теорию гравитации Исаака Ньютона, но и открыла новый способ рассмотрения физики, приведший к современным концепциям Большого взрыва и чёрных дыр, не говоря уже об атомных бомбах и корректировке времени, необходимой для того, чтобы в вашем телефоне работала GPS. Так же и квантовая механика не просто переформулировала уравнения Максвелла, описывавшие электричество, магнетизм и свет. Она обеспечила инструменты, необходимые для создания Большого адронного коллайдера, фотоэлементов и всей современной микроэлектроники.

По итогам этих споров произойдёт, ни много, ни мало – третья революция в современной физике, что приведёт к ошеломляющим последствиям. Мы можем узнать, откуда взялись законы природы, и построен ли космос на основе неопределённости, или же в его основе лежит детерминизм, когда с каждым событием связана определённая причина.

Крэйг Хоган

Зернистый космос

Хоган, лидер квантового взгляда на мир, предпочитает вместо того, чтобы блуждать в темноте, действовать согласно анекдоту, и заниматься поисками там, где светлее – где ярче свет, и где выше вероятность увидеть что-то интересное. Это основной принцип в его текущих исследованиях. По его словам, столкновение между реальностью и квантовой механикой происходит, когда вы пытаетесь понять, что делает гравитация на чрезвычайно малых расстояниях – поэтому он решил присмотреться к тому, что там происходит.

«Уверен, что возможно провести эксперимент, который позволит увидеть, что происходит, как работает этот интерфейс, который нам пока непонятен», – говорит он.

Простейшее предположение в эйнштейновской физике – а следы его происхождения ведут ещё к Аристотелю – состоит в том, что пространство – непрерывное и бесконечно делимое, и любое расстояние можно разделить на ещё меньшие расстояния. Но Хоган поднимает вопрос об истинности такого подхода. Так же, как у вашего экрана есть самая маленькая единица – пиксель, а у света самая маленькая единица – фотон, так и у расстояния, по его словам, должна быть неделимая мельчайшая единица – квант пространства.

По версии Хогана будет бессмысленным спрашивать, как ведёт себя гравитация на расстояниях, меньших единицы пространства. На таких масштабах гравитация работать не сможет, поскольку таких масштабов не существует. Иначе говоря, ОТО обязана будет помириться с квантовой физикой, поскольку пространство, в котором измеряются эффекты относительности, будет разделено на неделимые кванты. Театр реальности, где играет гравитация, будет выступать на квантовой сцене.

Хоган признаёт, что эта концепция звучит довольно странно, даже для тех из его коллег, кто ратует за квантовую интерпретацию. С конца 1960-х группа физиков и математиков разрабатывали платформу под названием «теория струн», чтобы помирить ОТО с квантовой механикой. С годами она превратилась в основную теорию, хотя и не смогла выполнить ранние обещания. Как и решение с зернистым пространством, теория струн предполагает наличие у пространства фундаментальной структуры, но затем две теории расходятся. Теория струн утверждает, что каждый объект вселенной состоит из вибрирующих энергетических струн. Как и зернистое пространство, теория струн избегает гравитационной катастрофы, вводя конечную минимальную единицу пространства, хотя размер у этих струн гораздо меньше, чем у пространственных структур, разыскиваемых Хоганом.

Зернистое пространство не состыковывается с идеями теории струн, или с любой другой предлагаемой физической моделью.

«Это новая идея, её нет в учебниках, она не следует из любой стандартной теории», – беззаботно говорит Хоган. «Но ведь и нет никакой стандартной теории, не так ли?»

Если он окажется прав, то многие формулировки теории струн окажутся не у дел, и его теория вдохновит свежий подход к переписыванию ОТО в квантовых терминах. Появятся новые способы понимания внутренней природы пространства и времени. И, что удивительнее всего, теория поддержит модную идею о том, что наша трёхмерная реальность состоит из более простых двумерных единиц. Хоган серьёзно относится к метафоре «пикселей» – так же, как картинка в телевизоре может создать иллюзию глубины из плоских пикселей, так и пространство, по его словам, может возникнуть из набора элементов, ведущих себя так, будто они находятся в двумерном пространстве.

Как и многие идеи, находящиеся на дальних границах современной теоретической физики, рассуждения Хогана могут звучать, как вечерние философские беседы первокурсников. Отличаются они тем, что физик планирует проверить их в эксперименте. Прямо сейчас.

С 2007 года Хоган размышлял о том, как построить устройство, способное измерить чрезвычайно мелкую зернистость пространства. У его коллег оказалось множество идей на этот счёт, основанных на технологии, разработанной для поиска гравитационных волн. За два года Хоган разработал предложение и работал с коллегами из Фермилаб, Чикагского университета и других институтов над постройкой машины для поиска зернистости, которую он называет " голометром". Это эзотерический каламбур, делающий отсылку одновременно к измерительному прибору XVII века и к теории, по которой двумерное пространство может казаться трёхмерным, что напоминает хранение изображения в голограмме.

Под наслоениями концептуальной сложности в голометре находится такое технологически несложное устройство, как лазер, полупрозрачное зеркало, разветвляющее луч лазера на два перпендикулярных, и ещё два зеркала, отражающих лучи обратно в 40-метровом тоннеле. Лучи откалиброваны так, чтобы регистрировать точное местоположение зеркал. Если пространство зернистое, то положение зеркал будет постоянно меняться (точнее, меняться будет само пространство), что будет создавать постоянные и случайные изменения расстояния между ними. После воссоединения лучей они окажутся слегка рассинхронизированными, и величина несоответствия покажет масштаб зернистости пространства.

Для таких масштабов, на которые рассчитывает Хоган, ему необходимо измерять расстояния с точностью до 10^-18 метров, то есть в 100 млн раз меньше атома водорода, и собирать данные со скоростью 100 млн измерений в секунду. Что удивительно, такой эксперимент не только теоретически возможен, но и практически реализуем.

«Мы смогли обойтись без серьёзных затрат благодаря достижениям фотоники, использованию множества готовых компонентов, быстрой электронике и прочим вещам, – говорит Хоган. – Это довольно смелый эксперимент, поэтому его не стали бы проводить, не будь он недорогим». Голометр сейчас жужжит себе, и собирает данные с нужной точностью. К концу года ожидается получение предварительных результатов.

Хоган столкнулся с критикой яростных скептиков, многие из которых принадлежат к сообществу физиков-теоретиков. Тему споров легко понять: успех голометра будет означать провал большого объёма работ по теории струн. Но, несмотря на эти споры, Хоган и большинство его коллег убеждены в том, что ОТО в результате придётся подчиниться квантовой механике. Остальные три закона физики [видимо, имеются в виду фундаментальные взаимодействия – прим. перев.] подчиняются квантовым правилам, поэтому есть смысл в том, чтобы так вела себя и гравитация.

У большинства современных теоретиков вера в преимущество квантовой механики простирается ещё дальше. На философском и эпистемологическом уровне они считают, что крупномасштабная реальность классической физики – это некая иллюзия, приближение, возникающее из более «истинных» аспектов квантового мира, работающего на малых масштабах. И зернистое пространство согласуется с таким взглядом на мир.

Хоган сравнивает свой проект со знаковым экспериментом XIX века Майкельсона-Морли, искавших эфир – гипотетическую субстанцию, которая, согласно лидировавшей в то время теории, проводит световые волны в вакууме. Эксперименты ничего не обнаружили – и это озадачивающее отсутствие результата вдохновило Эйнштейна на СТО, из которой выросла ОТО, перевернувшая в итоге вверх тормашками весь мир. Дополняя связь времён, эксперимент Майкельсона-Морли измерял и структуру пространства, используя зеркала и разделённый луч света – что очень напоминает эксперимент Хогана.

«Мы делаем наш голометр с таким же настроением. Увидим ли мы что-либо, или нет – в любом случае результат будет интересным. Эксперимент делается для того, чтобы посмотреть, сможем ли мы найти что-либо, поддерживающее теорию, – говорит Хоган. – По тому, как ваши коллеги-теоретики относятся к эксперименту, можно судить об их природе. Наши теории располагают к математическому стилю мышления. Надеюсь на такие результаты, которые заставят людей вести теоретические изыскания в другом направлении».

Найдёт Хоган квантовую структуру пространства или нет, но он уверен в том, что голометр поможет физикам ближе подойти к задаче большого и малого. Он покажет правильный (или закроет неправильный) путь к пониманию квантовой структуры пространства и того, как это влияет на релятивистские законы гравитации, пронизывающей его.

Только в чёрных дырах квантовая физика сталкивается с ОТО таким образом, который невозможно игнорировать

Чрезвычайно большое представление

Если вы пожелаете посмотреть в совершенно другом направлении, тогда вам нужен Смолин из Института теоретической физики. Если Хоган тщательно перебирает зёрнышки, то Смолина можно назвать абсолютным диссидентом:

«Когда я был аспирантом, Ричард Фейнман сказал мне кое-что. Это звучало примерно так: ‹Если все ваши коллеги пытались показать, что нечто истинно, и у них это не получилось – возможно, так вышло потому, что это нечто и в самом деле не является истиной›. Вот и теория струн тянется уже 40–50 лет без видимого прогресса».

Ли Смолин

И это только начало более обширной критики. Смолин считает, что подход к физике с малых масштабов неполон по своей сути. Текущие версии квантовой теории поля хорошо объясняют, как отдельные частицы или малые системы частиц себя ведут, но совершено не принимают во внимание то, что необходимо для построения разумной теории всего космоса. Они не объясняют, почему ТО именно такая, какая есть. Как говорит Смолин, квантовая механика – просто «теория подсистем вселенной».

По его словам, более продуктивным подходом будет рассмотрение вселенной как одной гигантской системы, и построение новой теории, применимой ко всему сразу. И у нас уже есть теория, обеспечивающая платформу для такого подхода: ОТО. В отличие от квантовой платформы, ОТО не содержит возможности наличия внешнего наблюдателя или внешних часов – никакого «вне» просто не существует. Вместо этого реальность описывается через взаимодействие объектов и различных районов пространства. Даже о такой базовой вещи, как инерция объекта (сопротивление вашего автомобиля попыткам начать движение, пока его не заставит это делать двигатель, и его тенденция двигаться после того, как вы сняли ногу с педали газа), можно рассуждать как о связи со всеми остальными частицами вселенной посредством гравитационного поля.

Последнее утверждение настолько странное, что его стоит рассмотреть подробнее. Проведём мысленный эксперимент, тесно связанный с тем, что привёл Эйнштейна к этой теории в 1907 году. Допустим, Вселенная будет полностью пустой, за исключением двух космонавтов. Один из них крутится, второй покоится. Первый чувствует головокружение от вращения. Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двух крутится не он, а другой космонавт. И без внешних ориентиров, по словам Эйнштейна, не существует способа сказать, кто из них прав, и нет причин, по которым один из них должен ощущать что-то, чего не чувствует другой.

И разница между двумя космонавтами появляется, только если вы вернёте обратно всю остальную вселенную. Следовательно, в классической интерпретации ОТО инерция существует только потому, что вы можете измерить её по отношению к космическому гравитационному полю. То, что верно в этом мысленном эксперименте, верно и для всех объектов реального мира: поведение каждой его части неразрывно связано со всеми остальными. Если вы когда-нибудь хотели быть частью чего-то большего – тогда эта физика для вас. А по мнению Смолина, это ещё и многообещающий метод получения ответов на вопросы о функционировании природы на всех масштабах.

«ОТО – это не описание подсистем. Это описание всей вселенной как замкнутой системы», – говорит он. Когда физики пытаются избавиться от несоответствия между ТО и квантовой механикой, то для них кажется разумным идти по стопам Эйнштейна и мыслить наиболее крупными категориями.

Смолин прекрасно понимает, что идёт против всеобщей привязанности к мышлению в мелких, квантовых масштабах.

«Я не собираюсь мутить воду, просто так получается. Я хочу аккуратно поразмыслить на эти сложные темы, опубликовать мои заключения и подождать, пока уляжется пыль, – добродушно говорит он. – Надеюсь, что люди будут спорить с аргументами, и что в результате можно будет вывести проверяемые предсказания».

На первый взгляд, идеи Смолина неудобны для организации реальных экспериментов. Как он утверждает, кроме того, что все части вселенной связаны друг с другом через пространство, они могут быть связаны и через время. Его рассуждения привели его к гипотезе о том, что законы физики эволюционируют вместе с развитием вселенной. С годами он выработал два подробных предположения по поводу того, как это может происходить. Его теория о космологическом естественном отборе, выработанная им в 1990-х, рассматривает чёрные дыры как космические яйца, из которых вылупляются новые вселенные. Позже он разработал провокационную гипотезу о появлении законов квантовой механики под названием «принцип предшествования» – и вот её, судя по всему, уже можно подвергать проверкам.

Принцип предшествования возникает как ответ на вопрос о том, почему физические явления воспроизводимы. Если вы проводите эксперимент, который уже проводили ранее, вы ожидаете, что результат будет такой же, как и в прошлом. Зажгите спичку, и она загорится. Зажгите ещё одну спичку тем же способом – ну, вы поняли. Воспроизводимость – это настолько знакомая нам часть жизни, что мы о ней и не задумываемся. Мы просто приписываем последовательные результаты работе естественного «закона», работающего неизменно. Смолин предполагает, что такие законы могут со временем появляться из-за того, что квантовые системы копируют поведение похожих систем, наблюдавшееся в прошлом.

Один из возможных способов уловить момент появления – провести эксперимент, который раньше никто не проводил, чтобы у него не было предыдущих версий (прецедентов), которые можно было бы скопировать. Такой эксперимент может создавать квантовую систему высокой сложности, содержащую много компонент, существующих в новом запутанном состоянии. Если принцип предшествования верен, то начальная реакция системы будет случайной. При повторении эксперимента предшествование будет накапливаться, и реакция системы должна стать предсказуемой – в теории.

«Систему, по которой Вселенная выстраивает прецеденты, отличить от случайного шума экспериментальной практики будет сложно, – говорит Смолин, – но возможно».

Хотя прецеденты могут участвовать в происходящем на атомных масштабах, их влияние будет распространяться на весь космос. Это связано с идеей Смолина о том, что редукционистское, мелкомасштабное мышление является неправильным подходом к решению больших задач. Но недостаточно заставить два класса физических теорий работать вместе, хотя это и важно. Он, как и все мы, хочет знать, почему Вселенная такая, какая есть. Почему время двигается вперёд, а не назад? Как мы оказались в такой вселенной, с такими, а не другими, законами?

Отсутствие осмысленных ответов на эти вопросы говорит о том, что

«с нашим пониманием квантовой теории поля что-то не так на глубоком уровне», – говорит Смолин.

Как и Хоган, его не так волнует результат любого эксперимента, как общая схема программы поисков фундаментальных истин. Для него это означает наличие возможности рассказать полную, связную историю Вселенной. Это значит иметь возможность не только предсказывать эксперименты, но и объяснять уникальные свойства, приведшие к появлению атомов, планет, радуг и людей. И тут он также вдохновляется Эйнштейном.

«Урок ОТО в том, что побеждает релятивизм», – говорит Смолин. Наиболее вероятный способ получения больших ответов – рассмотрение Вселенной как единого целого.

И победителем становится…

Если вам нужен судья в этом споре большого и малого, то сложно найти лучшую кандидатуру, чем Шон Кэррол, эксперт в космологии, теории поля и гравитационной физике в Калтехе. Он разбирается в относительности, квантовой механике, и обладает чувством абсурдного: он назвал свой блог " Абсурдная Вселенная".

И прямо сразу Кэррол почти полностью встаёт на сторону квантовой механики.

«Большинство из нас верят, что квантовая механика более фундаментальна, чем ОТО», – говорит он.

Такая точка зрения преобладала с 1920-х, когда Эйнштейн пытался и никак не мог найти изъяны в контринтуитивных предсказаниях квантовой теории. Недавний нидерландский эксперимент, продемонстрировав мгновенную квантовую связь между двумя сильно разделёнными частицами – то, что Эйнштейн называл «пугающим дальнодействием» – лишь подчёркивает силу доказательств.

Если смотреть шире, то настоящая проблема не в ОТО против квантовой теории поля, как говорит Кэррол, а классическая динамика против квантовой динамики. Относительность, несмотря на свою странность, классическая в том смысле, как она относится к причине и следствию; квантовая механика однозначно нет. Эйнштейн был уверен, что некие глубинные открытия раскроют классическую, детерминистскую реальность, прячущуюся под квантовой механикой, но пока такого порядка обнаружено не было. Продемонстрированная реальность с пугающим дальнодействием говорит о том, что такого порядка не существует.

«Люди явно недооценивают, насколько сильно квантовая механика опровергает наши понятия о пространстве и локальности (идею о том, что физическое явление может влиять только на своё непосредственное окружение). Таких вещей в квантовой механике просто нет», – говорит Кэррол.

Из явлений малого масштаба могут вытекать крупномасштабные последствия, такие, как рассуждения Хогана по поводу трёхмерной реальности, возникающий из двумерных единиц пространства.

Но несмотря на кажущуюся поддержку, Кэррол считает, что у голометра Хогана шансов маловато, хотя и признаёт, что это не совсем его область исследований. С другой стороны, он не считает чем-то особенным попытки Смолина начать с космоса как с фундаментальной вещи. Он считает, что это настолько же абсурдно, как пытаться доказать, что воздух более фундаментален, чем атомы. Что касается вопроса, какая из квантовых систем может поднять физику на следующий уровень, Кэррол оптимистично голосует за теорию струн, которая, по его словам, «кажется естественным продолжением квантовой теории поля». В любом случае он стоит за общепринятое в современной физике мышление, основанное на квантах.

И всё же мнение Кэррола, почти полностью склоняющееся к квантам, не полностью поддерживает мелкомасштабное мышление. В объяснениях квантовой теории всё ещё зияют огромные бреши.

«Наша невозможность выбрать правильную версию квантовой механики – это позор, – говорит он. – И наш текущий способ представления квантовой механики – это полный провал, если рассуждать с точки зрения космологии всей Вселенной. Мы даже не знаем, что такое время».

Хоган и Смолин поддерживают это высказывание, хотя и не соглашаются по поводу того, что с ним делать. Кэррол стоит за перевёрнутые объяснения, в которых время возникает из-за взаимодействий на квантовом уровне, но объявляет себя скептиком по поводу конкурирующего предположения Смолина о том, что время более универсально и фундаментально. Так что в вопросе о времени ещё ничего не решено.

Неважно, к чему придут теории, крупные масштабы никак нельзя игнорировать, поскольку именно в этом мире мы живём и наблюдаем его. По сути, вся вселенная в целом – это ответ, а задача физиков – сделать так, чтобы она появилась из уравнений. Даже если Хоган и прав, его зернистый космос должен в среднем сгладиться до состояния реальности, с которой мы ежедневно сталкиваемся. Даже если он неправ, у нас есть целый космос, со своими свойствами, которые необходимо объяснить – а этого пока что квантовая физика сделать не может.

Расширяя границы понимания, Хоган и Смолин помогают физике построить такие связи. Они подталкивают её не только к примирению квантовой механики и ОТО, но и к примирению идеи и восприятия. Следующая великая теория физики без сомнения приведёт к прекрасной математике и невообразимым технологиям. Но лучшее, что она сможет сделать – это создать глубинный смысл, приводящий обратно к нам, наблюдателям, определяющим себя как фундаментальную шкалу вселенной.