Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

CARLO ROVELLI

Reality Is Not What It Seems

The Journey to Quantum Gravity

Главный парадокс науки состоит в том, что, открывая нам твердые и надежные знания о природе, она в то же время стремительно меняет ею же созданные представления о реальности. Эта парадоксальность как нельзя лучше отражена в книге Карло Ровелли, которая посвящена самой острой проблеме современной фундаментальной физики – поискам квантовой теории гравитации.

Это первая

научно-популярная книга на русском языке, основной темой которой является теория петлевой квантовой гравитации. Упоминание этого названия многие слышали в сериале «Теория Большого взрыва», но узнать, в чем смысл петлевой гравитации, было почти негде. А между тем эта теория – один из важных игроков на переднем крае фундаментальной физики.

Около ста лет назад в науке произошла грандиозная революция. На смену ньютоновской механистической парадигме пришли две новые фундаментальные теории. Одна из них – общая теория относительности, благодаря которой мы узнали, что живем в искривленном четырехмерном пространстве-времени, неевклидова геометрия которого и есть гравитация. Другая – квантовая теория поля, показавшая, что все знакомые нам предметы, включая наши тела, состоят из «размазанных» по пространству полей вероятности.

Эти теории блестяще подтвердились везде, где их удалось проверить экспериментально, но при этом они несовместимы между собой. И хотя их противоречия проявляются только в экстремальных условиях черных дыр и Большого взрыва, логика неумолима: по крайней мере одна из теорий неточна. Многочисленные попытки геометризовать фундаментальные взаимодействия и квантовать гравитационное поле не привели к успеху, и для снятия противоречий нам, похоже, предстоит вскрыть новый слой физической реальности. Большие надежды в этом плане подает теория струн – фаворит в гонке за квантовой гравитацией. Она достаточно широко популяризирована, но в последние годы сталкивается с трудностями, что подогревает интерес к ее конкурентам.

Петлевая квантовая теория гравитации – как раз и есть главный конкурент. Если теория струн наделяет пространство дополнительными сильно закрученными измерениями, то петлевая теория меняет картину реальности еще радикальнее. Вместо пространства и времени мы сталкиваемся дискретной флуктуирующей спиновой пеной, которая лишь в относительно крупных масштабах, как бы при взгляде издали, становится привычным непрерывным пространством-временем.

Карло Ровелли входит в число основоположников петлевой квантовой гравитации. Занимаясь одной из самых экзотических и передовых фундаментальных теорий, он, однако, крепко укореняет свои идеи в общекультурном фундаменте. Для этого есть глубокая причина. Картина реальности, предлагаемая петлевой квантовой гравитацией, настолько необычна и контринтуитивна, что необходимо потратить специальные усилия, чтобы показать ее генетическую связь со всей историей развития научного знания, начиная с древнегреческой эпохи. Только поэтапно отследив смену картин реальности – от Демокрита через Ньютона, Максвелла, Эйнштейна и до квантовой физики – можно понять, что странная модель, предлагаемая петлевой квантовой гравитацией, в определенном смысле является естественным возвратом к истокам этой линии развития.

Демокрит постулировал дискретность материи, но впоследствии эта идея была отброшена, и в натурфилософии господствовало представление о непрерывности и бесконечной делимости всего, из чего состоит мир. Обратное движение началось с химии, где были обнаружены атомы, затем дискретность материи нашла выражение в квантовой механике. Но и в ней, и в теории относительности пространство и время остаются бесконечно делимыми. Именно это Карло Ровелли считает одним из главных препятствий на пути к объединению теории гравитации и квантовой механики. Отказ от непрерывного пространства-времени избавляет от сингулярностей в теории относительности и расходимостей в квантовой теории и, вероятно, от противоречий между двумя теориями.

С

петлевой гравитацией тесно связана реляционная интерпретация квантовой механики – еще одна важная идея Карло Ровелли. Суть ее состоит в том, что физический смысл имеют не сами по себе частицы, а только отношения (взаимодействия) между ними. Иными словами, физические объекты и системы существуют не сами по себе, а лишь относительно других объектов и систем. В каком-то смысле можно сказать, что реляционная интерпретация до предела обобщает принцип относительности.

Многие физики считают вопрос об интерпретации квантовой механики не столько научным, сколько философским, ведь на результатах вычислений интерпретация не сказывается. Однако научная роль интерпретации в том, что она согласует квантовомеханическую картину мира с интуицией человека. Это значительно повышает эвристичность теории, то есть ее потенциал в деле поиска новых явлений и объяснений – в частности, квантовой теории гравитации.

Впрочем, и чисто философские вопросы отнюдь не чужды Ровелли. Как глубоко европейский человек он с энтузиазмом демонстрирует неожиданные параллели между современными научными теориями и художественными образами, заключенными, например, в «Божественной комедии» Данте. С некоторой гордостью приводит он и ссылки на работы современных философов, которые с позиций своей дисциплины анализируют его реляционную интерпретацию.

И это не все. Реляционный подход позволяет Ровелли сделать глубокие суждения о понятии информации, которое в последнее время играет все большую роль в физике. В частности, оказывается, что именно через него рождается привычное нам время, которого, согласно петлевой квантовой гравитации, нет в спиновой пене, лежащей в основе реальности.

Хотя квантовая гравитация – в высшей степени математизированная теория, рассказ о ней в книге ведется без формул (пара исключений сделана по чисто эстетическим мотивам). Вкупе с многочисленными историко-культурными отступлениями это делает стиль изложения обманчиво легким. Но это не повод расслабляться. В английском издании книга не случайно называется «Reality is not what it seems» – «Реальность – не то, чем она кажется». Для понимания идей, стоящих за поисками квантовой гравитации, надо быть готовым к перепрошивке своих глубинных представлений о природе реальности.

И еще один парадокс науки – ее многослойность. Порой одно и то же простое утверждение на разных уровнях рассмотрения может превращаться из верного в ошибочное и наоборот. С этим не раз приходилось сталкиваться разработчикам тестовых заданий в рамках просветительского проекта «Открытая лабораторная», при участии которого подготовлен перевод книги Карло Ровелли. Порой хрестоматийные научные факты оказываются сомнительными или вовсе ложными с учетом всей глубины современного знания. Книга Ровелли содержит немало иллюстраций этого парадокса и наверняка послужит мотивом для новых тестов и публикаций– проекта для тех, кто любит науку, но в школе сидел на задней парте.

На протяжении всей моей научной карьеры друзья и просто любопытствующие просили меня объяснить, что происходит в области исследований квантовой гравитации. Как удается находить новые способы осмыслить пространство и время? Меня не раз просили рассказать об этих исследованиях в доступной форме. В то время как существует множество книг, посвященных космологии и теории струн, книги, где описывались бы исследования по квантовой природе пространства и времени, а также по петлевой квантовой гравитации, практически невозможно найти. Я долго колебался, поскольку хотел сосредоточиться на исследованиях. Несколько лет назад, завершив монографию по этой теме, я почувствовал, что коллективная работа многих ученых довела эту область исследований до той стадии зрелости, когда стало возможным написать научно-популярную книгу. Ландшафт, который мы исследуем, восхитителен – стоит ли продолжать скрывать его от других людей?