Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

16 Будущее в намеках

Физики тратят большую часть своей жизни в состоянии крушения надежд. Это профессиональный риск. Отличиться в физике означает испытывать сомнения во время прохождения извилистой дороги к ясности. Мучительный дискомфорт от препятствий есть то, что заставляет обычных во всех иных отношениях мужчин и женщин идти на экстраординарные подвиги находчивости и творчества; почти никто не задумывается о подобных диссонирующих деталях, заботясь о гармоничном разрешении проблем. Но по дороге к объяснению – во время поиска новых схем для обращения к стоящим вопросам – теоретики должны осмотрительно шагать через джунгли неясностей, руководствуясь в большей степени интуицией, намеками, путеводными нитями и расчетами. И, поскольку большинство исследователей имеет тенденцию скрывать свои следы, открытия часто обладают внешне меньшими признаками тяжелого пути, чем было на самом деле. Но не будем упускать из виду факт, что ничто не дается легко. Природа не раскрывает свои секреты без труда.

В этой книге мы посмотрели в нескольких главах на историю попыток нашего биологического вида понять пространство и время. И хотя мы сталкивались с некоторыми глубокими и поразительными открытиями, нам еще предстоит достигнуть момента окончательного крика "Эврика!", когда все сложности прекратятся и распространится полная ясность. Мы, более определенно, все еще бродим по джунглям. Так что дальше? Какова следующая глава в пространственно-временной истории? Конечно, никто не знает с уверенностью. Но в последние годы множество путеводных нитей появилось на свет, и хотя их еще предстоит интегрировать в гармоничную картину, многие физики верят, что они подсказывают следующее большое потрясение в нашем понимании космоса. В свое время пространство и время, как сейчас полагают, могут быть распознаны как всего лишь указания на более тонкие, более глубокие и более фундаментальные принципы, лежащие в основе физической реальности. В последней главе настоящего обзора давайте рассмотрим некоторые из этих нитей рассуждений и уловим отблеск того, куда мы, может быть, направимся в наших продолжающихся поисках понимания ткани космоса.

Являются ли пространство и время фундаментальными концепциями?

Немецкий философ Иммануил Кант говорил, что будет не просто тяжело покончить с пространством и временем во время размышлений о вселенной и ее описания, это будет совершенно невозможно. Откровенно говоря, я могу увидеть, из чего исходил Кант. Всякий раз, когда я сажусь, закрываю мои глаза и пытаюсь думать о вещах, пока каким-то образом они не обрисованы как занимающие пространство или переживающие прохождение времени, я терплю неудачу. Путь короток. Пространство через состояние или время через изменение всегда умудряются просочиться. Иронически говоря, ближе всего я подхожу к избавлению моих мыслей от прямой ассоциации с пространством-временем, когда я погружаюсь в математические вычисления (что часто приходится делать с пространством-временем!), поскольку природа таких упражнений, кажется, годится для поглощения моих мыслей, хотя бы только на минуту, в абстрактном окружении, которое кажется свободным от пространства и времени. Но сами мысли и тело, в котором они располагаются, все равно являются очень большой частью привычного пространства и времени. По-настоящему избавиться от пространства и времени так же нелегко, как ускользнуть от вашей тени.

Тем не менее, многие из сегодняшних ведущих физиков подозревают, что пространство и время, хотя и всюду проникающие, могут не быть по-настоящему фундаментальными. Точно так же, как тяжесть артиллерийского ядра происходит из коллективных свойств его молекул, и точно так же, как запах розы происходит из коллективных свойств ее молекул, и точно так же, как стремительность гепарда происходит от коллективных свойств его молекул, нервов и тканей, так и свойства пространства и времени – наш объект внимания на протяжении большей части этой книги – могут также происходить из коллективного поведения некоторых других, более фундаментальных составляющих, которые нам еще предстоит идентифицировать.

Физики иногда суммируют эту возможность, говоря, что пространство-время может быть иллюзией – стимулирующим описанием, но таким, чей смысл требует подходящей интерпретации. Тем не менее, если вас толкнет летящее артиллерийское ядро, или вы вдохнете манящий аромат розы, или вы заметите стремительного гепарда, вы не станете отрицать их существование просто потому, что каждый состоит из мелких, более основных сущностей. Напротив, я думаю, что большинство из нас согласится, что эти агломерации материи существуют и, более того, что они должны изучаться путем иследования того, как их обычные характеристики происходят из их атомных составляющих. Но, поскольку они составные, почему бы нам не попытаться построить теорию вселенной, основывающуюся на ядрах, розах или гепардах. Аналогично, если пространство и время оказываются составными сущностями, это не значит, что их привычное проявление от ньютонова ведра до эйнштейновской гравитации иллюзорно; нет сомнений, что пространство и время сохранят свои всеобъемлющие позиции в ощущаемой реальности безотносительно к будущим доработкам в нашем понимании. Напротив, составное пространство-время будет означать, что еще более элементарное описание вселенной – то, которое без пространства и без времени, – еще должно быть открыто. Иллюзия тогда будет чем-то нашего собственного изготовления: ложной уверенностью, что глубочайшее понимание космоса должно возможно более остро акцентировать внимание на пространстве и времени. Точно так же, как тяжесть артиллерийского ядра, запах розы и скорость гепарда исчезают, когла мы исследуем материю на атомном и субатомном уровне, пространство и время могут аналогично раствориться, когда они изучаются в самой фундаментальной формулировке законов природы.

То, что пространство-время может отсутствовать среди фундаментальных космических составляющих, может поразить вас как нечто неестественное. И вы вполне можете быть правы. Но слухи о надвигающемся удалении пространства-времени из глубоких физических законов не родились из дурацкого теоретизирования. Напротив, эта идея строго поддерживается большим числом хорошо обоснованных исследований. Давайте бросим взгляд на некоторые из самых выдающихся.

Квантовое усреднение

В Главе 12 мы обсуждали, как ткань пространства, почти подобно всему остальному в нашей квантовой вселенной, подвергается скачкам квантовой неопределенности. Это те флуктуации, вспомните, которые являются проклятием теорий точечных частиц, мешая им обеспечить осмысленную квантовую теорию гравитации. Заменяя точечные частицы петлями и отрезками линий, теория струн рассеивает флуктуации, – существенно уменьшая их величину, – и тем самым обеспечивает успешное объединение квантовой механики и ОТО. Тем не менее, уменьшенные флуктуации пространства-времени определено все еще существуют (как проиллюстрировано на предпоследнем уровне увеличения на Рис. 12.2), и вместе с ними мы можем найти путеводную нить в отношении судьбы пространства-времени.

Первое, мы узнали, что обычное пространство и время, которое заполняет наше внимание и поддерживает наши уравнения, возникает из разновидности процесса усреднения. Подумайте о фрагментированном изображении, которое вы видите, когда ваше лицо находится в нескольких дюймах от телевизионного экрана. Это изображение сильно отличается от того, что вы видите с более комфортного расстояния, поскольку тогда вы не можете больше различать отдельные фрагменты-пиксели, ваши глаза объединяют их в среднее, которое выглядит гладким. Но заметим, что пиксели производят привычное непрерывное изображение только благодаря процессу усреднения. В похожем стиле микроскопическая структура пространства-времени пронизана хаотическими неровностями, но мы непосредственно не осознаем их, поскольку мы не имеем возможности разрешать пространство-время на таком мельчайшем масштабе. Вместо этого наши глаза и даже наше самое мощное оборудование объединяют неровности в среднее, почти подобно тому, что происходит с телевизионными пикселями. Поскольку неровности хаотичны, как правило, имеется столько же неровностей "вверх" в малой области, сколько и "вниз", так что при усреднении они сводятся на нет, давая спокойное пространство-время. Но, как и в телевизионной аналогии, появление гладкой и спокойной формы пространства-времени происходит только вследствие процесса усреднения.

Квантовое усреднение обеспечивает утилитарную интерпретацию утверждения, что привычное пространство-время может быть иллюзорным. Усреднения применимы для многих целей, но они намеренно не обеспечивают четкую картину лежащих в основании деталей. Хотя средняя семья в США имеет 2,2 ребенка, вы будете в затруднении, когда я попрошу вас посетить такую семью. И хотя средняя национальная цена галлона молока составляет $2,783, маловероятно, что вы найдете магазин, продающий его точно по этой цене. Так и привычное пространство, само являясь результатом процесса усреднения, может не описывать детали чего-то, что мы хотим называть фундаментальным. Пространство и время могут быть только приблизительными, коллективными концепциями, в высшей степени пригодными для анализа вселенной на всех масштабах, кроме ультрамикроскопических, однако столь же иллюзорными, как и семья с 2,2 детьми.