Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Грин Брайан

Если бы я рискнул сделать предсказание, то в качестве наиболее вероятного пути развития предположил бы, что «независимые от фона» методы, развитые в теории петлевой квантовой гравитации, будут приспособлены к теории струн, что даст дорогу для создания «независимой от фона» формулировки теории струн. И я полагаю, что от этой искры возгорится пламя третьей революции теории суперструн, в ходе которой будут разгаданы (я оптимист) многие из оставшихся глубоких тайн. На этом пути, вероятно, могла бы завершиться долгая история дебатов о пространстве-времени. С первых глав мы следили за «маятником мнений», раскачивающимся между релятивистским и абсолютистским взглядами на пространство, время и пространство-время. Мы спрашивали: представляет ли пространство собой нечто? Является ли чем-то пространство-время? И, следя за ходом мысли на протяжении

нескольких столетий, мы знакомились с различными точками зрения. Я думаю, что экспериментально подтверждённый, «независимый от фона» союз между общей теорией относительности и квантовой механикой приведёт к удовлетворительному решению этой проблемы. Благодаря «независимости от фона» ингредиенты теории могут оказаться в определённой связи друг с другом, но при отсутствии пространства-времени, изначально введённого в теорию, не будет никакой «фоновой арены», в которую они были бы встроены. Имели бы значения только относительные связи — это решение было бы во многом в духе Лейбница и Маха. Затем, по мере того как ингредиенты теории (будь то струны, браны, петли или что-либо ещё, что будет открыто в ходе будущих исследований) соединяются, образуя известное нам крупномасштабное пространство-время (либо наше реальное пространство-время, либо гипотетические примеры, полезные для мысленных экспериментов), они снова начинают быть «чем-то», во многом подобным тому, что было в нашем раннем обсуждении общей теории относительности: в совершенно пустом, плоском, бесконечном пространстве-времени (один из полезных гипотетических примеров) поверхность воды во вращающемся ведре Ньютона примет вогнутую форму. Самое существенное то, что при таком описании почти совсем исчезнет различие между пространством-временем и более ощутимыми материальными элементами, поскольку и то, и другое будет возникать как совокупность более элементарных ингредиентов в фундаментально реляционной, беспространственной и безвременной теории. Вот как Лейбниц, Ньютон, Мах и Эйнштейн могли бы провозгласить общую победу.

Внутреннее и внешнее пространство

Спекуляции о будущем науки являются увлекательным и конструктивным опытом. Они помещают наши текущие исследования в более широкий контекст и выделяют высшие цели, для достижения которых мы неторопливо и вдумчиво работаем. Но когда такие рассуждения касаются будущего самого пространства-времени, они обретают почти мистический характер, поскольку мы рассматриваем участь тех самых вещей, которые господствуют над нашим ощущением реальности. Опять же, нет сомнений в том, что независимо от наших будущих открытий пространство и время будут продолжать обрамлять наш индивидуальный опыт; пространство и время, как и всё происходящее в жизни, останутся на своём месте. А то, что будет продолжать изменяться и, вероятно, радикально изменится, так это наше понимание предоставляемого ими каркаса, т. е. арены экспериментальной реальности. После столетий размышлений мы можем охарактеризовать пространство и время только как самых знакомых незнакомцев. Они невозмутимо держат путь через наши жизни, но умело скрывают своё фундаментальное строение от тех самых ощущений, которые они так наполняют и на которые они влияют.

За последнее столетие благодаря двум теориям относительности Эйнштейна и квантовой механике мы близко познакомились с некоторыми ранее скрытыми чертами пространства и времени. Замедление времени, относительность одновременности, альтернативное «нарезание на куски» пространства-времени, гравитация как искажение и искривление пространства и времени, вероятностная природа реальности и квантовое дальнодействие — даже самые лучше физики XIX го в. не ожидали, что всё это обнаружится буквально за углом. И всё же, это всё есть — подтверждённое как экспериментальными результатами, так и теорией.

В наш век мы столкнулись со множеством неожиданных идей:

• тёмная материя и тёмная энергия несомненно являются основными составляющими Вселенной;

• гравитационные волны — рябь ткани пространства-времени, — которые были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна и которые когда-нибудь смогут позволить нам заглянуть ещё дальше в прошлое, чем когда-либо ранее;

• океан Хиггса, который пронизывает всё пространство и который, возможно, поможет нам понять, как частицы обретают массу;

• инфляционное расширение, которое может объяснить форму космоса и решить

загадку его однородности на больших масштабах, а также установить направление стрелы времени;

• теория струн, которая постулирует петли и отрезки энергии вместо точечных частиц и обещает реализовать мечту Эйнштейна об объединении всех частиц и сил в рамках единой теории;

• дополнительные пространственные измерения, которые возникли из математики теории струн и которые могут быть обнаружены в экспериментах на новых ускорителях в следующем десятилетии;

• мир бран, в котором наши три пространственных измерения могут соответствовать лишь одной Вселенной среди множества Вселенных, плавающих в пространстве-времени более высокой размерности;

• и, возможно, даже новое понятие о пространстве-времени, когда сама ткань пространства и времени состоит из более фундаментальных беспространственных и безвременных элементов.

В следующем десятилетии более мощные ускорители дадут так необходимые экспериментальные данные, и многие физики уверены, что результаты, полученные из наблюдений высокоэнергетических столкновений, подтвердят ряд кардинальных теоретических построений. Я разделяю этот энтузиазм и с нетерпением жду результатов. Пока наши теории не соприкоснутся с наблюдаемыми, проверяемыми явлениями, они будут подвешены в состоянии неопределённости, оставаясь обещающим набором идей, который может иметь или не иметь отношение к реальному миру. Новые ускорители значительно расширят поле перекрытия между теорией и экспериментом и, как надеются физики, переведут многие из этих идей в область признанной науки.

Но есть и другой подход, наполняющий меня несравненным изумлением, хотя у этого подхода не так много шансов. В главе 11 мы говорили о том, как эффекты крошечных квантовых флуктуаций могут быть видны на ясном ночном небе, поскольку они были грандиозно растянуты в ходе космического расширения, что привело к образованию сгущений материи, давших начало звёздам и галактикам. (Вспомним аналогию с мелкими каракулями на оболочке воздушного шара, которые растягиваются, когда этот шар надувают.) Это яркий пример того, как можно получить доступ к квантовой физике через астрономические наблюдения. Возможно, это ещё не предел. Не исключено, что космическое расширение может растягивать отпечатки ещё более мелкомасштабных процессов или характеристик — физики струн, или вообще квантовой гравитации, или ультрамикроскопической атомизированной структуры пространства-времени — и распространять их влияние по небесам неким тонким, но наблюдаемым образом. Возможно, Вселенная уже растянула микроскопические нити ткани космоса и распустила их по небу, так что всё, что нам нужно, — это научиться их увидеть.

Чтобы добраться до проверки самых последних идей, касающихся фундаментальных физических законов, вполне может потребоваться и чрезвычайная мощь ускорителей частиц, способных воссоздать экстремальные условия, невиданные с момента Большого взрыва. Но, по моему мнению, нет ничего более поэтичного, результата более изысканного, объединения более полного, чем получить подтверждение наших теорий об ультрамалом — теорий об ультрамикроскопическом строении пространства, времени и материи, — обратив к небу самые мощные телескопы и молчаливо всматриваясь в звёзды.

Словарь научных терминов

Абсолютизм.Система взглядов, в которой пространство считается абсолютным.

Абсолютное пространство.Ньютоновская концепция пространства; пространство считается неизменным, универсальным и не зависящим от того, что в нём содержится.

Абсолютное пространство-время.Взгляд на пространство и время с точки зрения специальной теории относительности; пространство-время в своей целостности (но не по отдельности) считается неизменным, универсальным и не зависящим от того, что в нём содержится.

Большое сжатие.Возможный конец Вселенной, напоминающий Большой взрыв, протекающий в обратном направлении, когда пространство коллапсирует в себя.

Вакуум.Настолько пустая область пространства, насколько это возможно; состояние с самой низкой энергией.

Вектор скорости.Величина скорости и направление движения объекта.

Великое объединение.Теория, объединяющая сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия в рамках единого формализма.