Семь этюдов по физике

Этюд пятый Песчинки пространства

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