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

В предквантовой (и пред-Хиггсовой) физике мы объявляли регион пространства полностью пустым, если он не содержал частиц и величина каждого поля была однородно нулевой.*

(*) "Для простоты изложения мы будем рассматривать только поля, которые достигают своей наименьшей энергии, когда их величина равна нулю. Обсуждение других полей – полей Хиггса – идентично, за исключением того, что поля флуктуируют вокруг ненулевой величины поля с минимальной энергией. Если вы хотите сказать, что регион пространства пуст, только если там не присутствует материя и все поля отсутствуют, а не только имеют величину нуль, смотрите секцию комментариев.[2]"

Теперь подумаем об этом классическом определении пустоты в свете квантового принципа неопределенности. Если поле имело и сохраняло исчезающе малую величину, мы будем знать его величину – нуль – а также темп изменения его величины – тоже нуль. Но в соответствии с принципом неопределенности невозможно, чтобы оба эти свойства были определены. Вместо этого, если поле имеет определенную величину в некоторый момент, нуль в нашем случае, принцип неопределенности говорит нам, что темп его изменения полностью случаен. А случайный темп изменения означает, что в следующие моменты величина поля будет хаотически дергаться вверх и вниз, даже в месте, которое мы обычно полагаем полностью 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 скакать вокруг величины нуль, но она не может быть однородно равной нулю во всей области более чем на мгновение.[3] На техническом языке физики говорят, что поля подвержены вакуумным флуктуациям.

Хаотичная природа флуктуаций вакуумного поля подразумевает, что во всех регионах, за исключением самых микроскопических, имеется так же много скачков "вверх", как и "вниз", а потому они усредняются к нулю, почти как мраморная поверхность выглядит совершенно гладкой для невооруженного глаза, даже если электронный микроскоп обнаруживает, что она зазубренная на микроскопических масштабах. Тем не менее, даже если мы не можем увидеть это непосредственно, более чем полстолетия назад реальность дрожаний квантового поля даже в пустом пространстве была окончательно установлена через простое, но глубокое открытие.

В 1948 датский физик Хендрик Казимир вычислил, как вакуумные флуктуации электромагнитного поля могут быть экспериментально обнаружены. Квантовая теория говорит, что дрожания электромагнитного поля в пустом пространстве будут иметь различную форму, как проиллюстрировано на Рис. 12.1а. Прозрение Казимира заключалось в осознании того, что, разместив две обычные металлические пластины в пустой в иных отношениях области, как на Рис. 12b, можно индуцировать тонкую модификацию этих вакуумных дрожаний поля. А именно, квантовые уравнения показывают, что в области между пластинами не будет нескольких флуктуаций (допустимы только те флуктуации электромагнитного поля, чьи величины исчезают в местоположении каждой пластины). Казимир проанализировал следствия такого ограничения в дрожаниях поля и нашел нечто экстраординарное.

(а) (b)

Рис 12.1 (а) Вакуумные флуктуации электромагнитного поля, (b) Вакуумные флуктуации между двумя металлическими пластинами и они же вне пластин.

 Почти как уменьшение количества воздуха в области создает дисбаланс давлений (например, на большой высоте вы можете почувствовать разрежение воздуха, оказывающее меньшее давление вне ваших ушных раковин), уменьшение квантовых дрожаний поля между пластинами также дает дисбаланс давления: квантовые дрожания поля между пластинами становятся чуть-чуть слабее, чем вне пластин, и этот дисбаланс двигает пластины друг к другу.

Подумайте о том, насколько это совершенно странно. Вы помещаете две пластины, обыкновенные, не заряженные металлические пластины в пустую область пространства, одну лицом к другой. Когда их масса мала, гравитационное притяжение между ними настолько мало, что может быть полностью проигнорировано. Поскольку нет ничего другого вокруг, вы действительно придете к заключению, что пластины останутся неподвижными. Но расчеты Казимира предсказали, что произойдет не это. Он пришел к заключению, что пластины будут мягко вынуждаться призрачной хваткой квантовых вакуумных флуктуаций к движению в направлении друг друга.

Когда Казимир впервые анонсировал этот теоретический результат, достаточно чувствительное оборудование для проверки его предсказания не существовало. Однако в течение около десяти лет другой датский физик Маркус Спаарней оказался в состоянии инициировать первые рудиментарные проверки сил Казимира, и с тех пор были проведены все более точные эксперименты. Например, в 1997 году Стив Ламоро, тогда работавший в Университете Вашингтона, подтвердил предсказания Казимира с точностью 5 процентов.[4] (Для пластин, размером грубо с игральные карты и расположенных на расстоянии одной десятитысячной сантиметра друг от друга, сила между ними оказалась примерно равной весу отдельной капли росы; это показывает, как сложно измерение силы Казимира). Теперь мало кто сомневается, что интуитивное понятие пустого пространства как статической, спокойной, бедной событиями арены совершенно не имеет оснований. Из-за квантовой неопределенности пустое пространство переполнено квантовой активностью.

Это заставило ученых большую часть двадцатого века полностью разрабатывать математику для описания такой квантовой активности как электромагнитных, так и сильных и слабых ядерных сил. Усилия даром не пропали: расчеты с использованием этой математической схемы согласуются с экспериментальными изысканиями с беспримерной точностью (например, расчеты влияния вакуумных флуктуаций на магнитные свойства электронов согласуются с экспериментальными результатами до одной части на миллиард).[5]

Однако, несмотря на все эти успехи, много десятилетий физики осознавали, что квантовые дрожания провоцируют внутри законов физики неудовлетворительность.

Дрожания и их неудовлетворительность[6]

До настоящего времени мы обсуждали только квантовые дрожания полей, которые существуют внутри пространства. А как насчет квантовых дрожаний самого пространства? Хотя это может звучать загадочно, на самом деле это просто другой пример дрожаний квантовых полей – пример, однако, содержащий особую трудность. В ОТО Эйнштейн установил, что гравитационная сила может быть описана как деформация и искривление ткани пространства; он показал, что гравитационные поля проявляются через форму геометрии пространства (или, более общо, пространства-времени). Теперь, точно подобно любому другому полю, гравитационное поле подвергается квантовым дрожаниям: принцип неопределенности подразумевает, что на мельчайших масштабах расстояний гравитационное поле флуктуирует вверх и вниз. А поскольку гравитационное поле есть синоним формы пространства, такие квантовые дрожания означают, что форма пространства хаотично флуктуирует. Еще раз, как и со всеми примерами квантовой неопределенности, на масштабах наших повседневных расстояний дрожания слишком малы, чтобы ощущаться непосредственно, и окружающая среда выглядит гладкой, безмятежной и предсказуемой. Но чем меньше масштаб наблюдения, тем больше неопределенность и тем больше становится буйство квантовых флуктуаций.

Это проиллюстрировано на Рис.12.2, на котором мы последовательно увеличиваем ткань пространства, чтобы обнаружить его структуру при все более мелких расстояниях. Самый большой уровень внизу на рисунке показывает квантовые возмущения пространства на привычных масштабах и, как вы можете видеть, тут нечего смотреть, – неровности ненаблюдаемо малы, так что пространство выглядит невозмутимым и плоским. Но когда мы проникаем дальше, последовательно увеличивая область, мы видим, что неровности пространства становятся все более неистовыми. На высшем уровне на рисунке, который показывает ткань пространства на масштабах, меньших планковской длины – миллионной миллиардной миллардной миллиардной доли (10–33) сантиметра – пространство становится бурлящим, кипящим котлом бешеных флуктуаций. Как проясняет иллюстрация, обычные понятия лево/право, назад/вперед и вверх/вниз становится так перепутанными ультрамикроскопической суетой, что они теряют всякий смысл. Даже обычное понятие до/после, которое мы иллюстрировали последовательными сечениями пространственно-временного батона, делается бессмысленным квантовыми флуктуациями на временных масштабах короче планковского времени, около десяти миллионных триллионных триллионных триллионных доли (10–43) секунды (которое грубо равно времени, необходимому свету, чтобы пролететь планковскую длину). Подобно размытой фотографии, дикие колебания на Рис. 12.2 делают невозможным однозначно отделить один временной срез от другого, когда интервал времени между ними становится короче планковского времени. Итог такой, что на масштабах короче, чем планковские расстояние и продолжительность, квантовая неопределенность делает ткань космоса настолько перекрученной и искаженной, что обычные концепции пространства и времени больше не применимы.