Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

И хотя сегодня наука сильно отличается от науки даже пятьдесят лет назад, было бы неоправданным упрощением суммировать научный прогресс в терминах новых теорий, низвергнувших своих предшественниц. Более правильное описание заключается в том, что каждая новая теория уточняет свою предшественницу, обеспечивая более точные и охватывающие бо́льшую область рамки. Ньютоновская теория гравитации была замещена общей теорией относительности Эйнштейна, но было бы наивным говорить, что ньютоновская теория неверна. Для объектов, которые не двигаются с околосветовыми скоростями и не создают таких сильных гравитационных полей, как у чёрных дыр, теория Ньютона потрясающе точна. Это вовсе не означает, что теория Эйнштейна является немного изменённым вариантом ньютоновской теории; в ходе усовершенствования ньютоновского подхода к гравитации Эйнштейн выработал совершенно новую концептуальную схему, которая радикально изменяет наше понимание пространства и времени. Но сила открытия Ньютона в рамках той области, для которой он его предназначал (движение планет, обычные земные движения и т. д.), полностью сохраняется.

Мы представляем каждую новую теорию как подводящую нас ближе к ускользающей цели достижения истины, но существует ли конечная теория — теория, которая не может быть дальше уточнена, поскольку она полностью описывает работу Вселенной на самом глубоком возможном уровне, — на этот вопрос никто не может ответить. Несмотря на это, картина, вырисовывающаяся в течение последних трёхсот лет открытий, даёт дразнящие свидетельства, что такая теория может быть разработана. В общих чертах, каждый новый прорыв собирает более широкий спектр физических явлений под всё меньшим числом теоретических зонтиков. Открытия Ньютона показали, что силы, управляющие движением планет, являются теми же силами, которые управляют движением падающих объектов здесь, на Земле. Открытия Максвелла показали, что электричество и магнетизм являются двумя сторонами одной монеты. Открытия Эйнштейна показали, что пространство и время так же неразделимы, как прикосновение Мидаса и золото. Открытия поколения физиков в начале XX в. установили, что мириады загадок микрофизики могут быть объяснены путём аккуратного использования квантовой механики. Позднее открытия Глэшоу, Салама и Вайнберга показали, что электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие являются двумя проявлениями единого взаимодействия — электрослабого взаимодействия — и имеются даже предварительные, косвенные свидетельства, что сильное ядерное взаимодействие может быть объединено с электрослабым в ещё более великом синтезе.{154} Собирая всё это вместе, мы видим картину, которая показывает движение от сложности к простоте, от разделения к единству. Направления объяснений кажутся сходящимися в одну мощную схему, которую ещё предстоит открыть и которая объединит все силы природы и всю материю в рамках единственной теории, способной описать все физические явления.

Альберт Эйнштейн, который более трёх десятилетий пытался объединить электромагнетизм и общую теорию относительности в одну теорию, заслуженно считается родоначальником современных поисков единой теории. В течение этих долгих десятилетий он был единственным исследователем такой единой теории, и его страстные, хотя и одинокие поиски отдалили его от основных интересов физического сообщества. Однако в течение последних двадцати лет произошло радикальное возрождение поисков единой теории; одинокие мечты Эйнштейна стали движущей силой для целого поколения физиков. Но из-за открытий, произошедших со времён Эйнштейна, фокус поисков сместился. Хотя мы ещё и не имеем успешной теории, объединяющей сильное и электрослабое возаимодействие, но все эти три вида сил (электромагнитные, слабые, сильные) описываются на одном языке, основанном на квантовой механике. Однако общая теория относительности, наша наиболее совершенная теория четвёртой силы, стоит в стороне от этой схемы. Общая теория относительности является классической теорией: она не включает никакие вероятностные концепции квантовой теории. Главная цель современной программы унификации заключается, следовательно, в объединении общей теории относительности и квантовой механики и в описании всех четырёх сил в одних и тех же квантово-механических рамках. Это оказалось одной из самых трудных проблем, с которыми когда-либо сталкивалась теоретическая физика.

Давайте посмотрим, почему.

Квантовая дрожь и пустое пространство

Если бы мне пришлось выделить одно наиболее запоминающееся свойство квантовой механики, я бы выбрал принцип неопределённости. Вероятности и волновые функции определённо обеспечивают радикально новые рамки анализа, но именно принцип неопределённости несёт в себе разрыв с классической физикой. Вспомним, что в XVII и XVIII вв. учёные были уверены, что полное описание физической реальности сводится к указанию положения и скорости каждой составляющей материи, заполняющей космос. А с появлением концепции поля в XIX в. и с её последующим применением к электромагнитным и гравитационным силам этот взгляд был дополнен включением в рассмотрение величины каждого поля — т. е. напряжённости каждого поля — и скорости изменения величины каждого поля в каждой точке пространства. Но к 1930-м гг. принцип неопределённости разрушил эту концепцию реальности, показав, что вы никогда не можете знать сразу положение и скорость частицы; вы никогда не можете знать сразу величину поля в данном месте пространства и то, как быстро величина поля изменяется. Квантовая неопределённость запрещает это.

Как мы обсуждали в предыдущей главе, из-за квантовой неопределённости микромир является царством дрожания и квантовых скачков. Ранее мы обращали внимание на порождённую неопределённостью квантовую дрожь поля инфлатона, но квантовая неопределённость имеет место для всех полей. Электромагнитное поле, поля сильного и слабого ядерных взаимодействий и гравитационное поле — все подвергаются неистовым квантовым скачкам-дрожаниям на микроскопическом масштабе. Фактически, эта дрожь полей существует даже в пространстве, которое вы нормально воспринимали бы как пустое, в пространстве, которое кажется не содержащим ни материи, ни полей. Это очень важная идея, но если вы не сталкивались с ней ранее, она, естественно, будет выглядеть загадочной. Если область пространства ничего не содержит — если это вакуум, — то не означает ли это, что там нечему дрожать? Но мы уже знаем, что концепция пустоты — тонкая вещь. Просто подумайте об океане Хиггса, который, как утверждает современная теория, пронизывает пустое пространство. Квантовая дрожь, о которой я теперь говорю, только делает понятие «ничего» ещё более тонким. Вот что я имею в виду.

В доквантовой (и дохиггсовой) физике мы объявляли некоторую область пространства совершенно пустой, если она не содержит частиц и величина каждого поля всюду в области равна нулю.[73] Теперь подумаем об этом классическом определении пустоты в свете квантового принципа неопределённости. Если бы поле имело и сохраняло нулевую величину, мы бы знали его величину — нуль, — а также скорость изменения его величины — тоже нуль. Но в соответствии с принципом неопределённости невозможно, чтобы оба эти свойства одновременно были определены. То есть, если поле в некоторый момент имеет определённую величину, нуль в нашем случае, принцип неопределённости говорит нам, что скорость его изменения совершенно случайна. А случайная скорость изменения означает, что в последующие моменты времени величина поля будет хаотически прыгать вверх и вниз, даже в месте, которое мы обычно полагаем совершенно пустым пространством. Так что интуитивное понятие пустоты как места, в котором все поля имеют и сохраняют нулевую величину, несовместимо с квантовой механикой. Величина поля может колебаться около нулевой величины, но она не может быть равной нулю во всей области более чем краткое мгновение.{155} На техническом языке физики говорят, что поля подвержены вакуумным флуктуациям.

Хаотичная природа вакуумных флуктуаций поля означает, что во всех областях, за исключением самых микроскопических, имеется так же много скачков «вверх», как и «вниз», а потому они усредняются к нулю, примерно как поверхность мрамора выглядит совершенно гладкой для невооружённого глаза, хотя электронный микроскоп обнаруживает, что она очень неровная на микроскопических масштабах. Тем не менее, хотя мы не можем увидеть эту квантовую дрожь непосредственно, более чем полстолетия назад реальность колебаний квантового поля, даже в пустом пространстве, была с несомненностью показана в простом, но фундаментальном открытии.

В 1948 г. датский физик Хендрик Казимир показал, как вакуумные флуктуации электромагнитного поля могут быть обнаружены экспериментально. Квантовая теория говорит, что колебания электромагнитного поля в пустом пространстве будут иметь различную форму, как проиллюстрировано на рис. 12.1а. Прорыв Казимира заключался в осознании того, что, разместив две обычные металлические пластины в пустой области, как показано на рис. 12.1б, можно вызвать небольшую модификацию этих вакуумных колебаний поля. А именно, квантовые уравнения показывают, что в области между пластинами некоторые типы флуктуаций будут отсутствовать (допустимы только такие флуктуации электромагнитного поля, значения которых равны нулю в месте расположения каждой пластины). Казимир проанализировал следствия такого подавления колебаний поля и обнаружил нечто совершенно необычное. Как уменьшение количества воздуха в некоторой области создаёт дисбаланс давлений (например, на большой высоте вы можете почувствовать разрежение воздуха по тому, как он оказывает меньшее давление с наружной стороны ваших барабанных перепонок), уменьшение квантовых колебаний поля между пластинами также создаёт дисбаланс давления: квантовые колебания поля между пластинами становятся чуть-чуть слабее, чем вне пластин, и этот дисбаланс толкает пластины друг к другу.