Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего

Смолин Ли

Это иллюстрация представления некоторых физиков о пространстве. Мы (и я тоже) считаем, что пространство есть иллюзия и что реальные отношения, которые формируют мир, представляют собой динамическую сеть (почти как интернет или сотовая связь). Мы ощущаем эту иллюзию потому, что отключение большинства возможных связей разделит всех большими расстояниями.

Такая картина возникает в целом классе подходов в квантовой гравитации, где пространство не столь же важно, как время. В их основе лежат фундаментальные квантовые структуры, которые можно определить, не нуждаясь в пространстве. Пространство возникает так же, как термодинамика вытекает из физики атомов. Такие подходы являются фононезависимыми, потому что не предполагают существование фона с фиксированной геометрией. Наиболее примитивным примером является граф или сеть, которые определяются, по сути, без привязки к пространству.

Первым таким подходом стала теория каузальной динамической триангуляции, предложенная Яном Амбьорном и Ренате Лолл и доработанная их сотрудниками [135] .

За ней последовала теория квантовых графов (она предполагает, что фундаментальными сущностями в природе выступают графы) Фотини Маркопулу [136] , развитая ее коллегами [137] . Интуитивная картина, в которой пространство возникает в результате отключения соединений сети, лучше всего подходит для характеристики этого подхода. Третий подход, при котором глобальное время принимается как фундаментальное, но пространство не возникает, предложил Петр Хорава [138] . Некоторые подходы в теории струн – матрично-модельные – также могут быть описаны этим способом [139] .

135

См.: Ambjorn, J., et al. Nonperturbative Quantum Gravity // arXiv:1203.3591v1 [hep-ph] (2012); Ambjorn, J., et al. Emergence of a 4-D world from Causal Quantum Gravity // Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 131301 [hep-th/0404156].

136

Markopoulou, Fotini Space Does Not Exist, So Time Can // arXiv:0909.1861v1 [grqc] (2009).

137

Konopka, Tomasz, Markopoulou, Fotini, and Lee Smolin Quantum Graphity // arXiv: hep-th/0611197v1 (2006); Konopka, Tomasz, Markopoulou, Fotini, and Simone Severini Quantum Graphity: A Model of Emergent Locality // arXiv:0801.0861v2 (2008); Hamma, Alioscia, et al. A Quantum Bose-Hubbard Model with Evolving Graph as Toy Model for Emergent Spacetime // arXiv:0911.5075v3 [gr-qc] (2010).

138

Horava, Petr Quantum Gravity at a Lifshitz Point // arXiv:0901.3775v2 [hep-th] (2009).

139

Banks, T., et al. M Theory as a Matrix Model: A Conjecture // arXiv: hep-th/9610043v3 (1997).

Рис. 13. Пространство в виде решетки. Частица может находиться лишь в одном из узлов, и движение заключается в прыжках от узла к узлу.

Эти подходы, принимающие время как фундаментальное понятие, отличаются от прежних фононезависимых подходов. Они подразумевают, что пространство-время (как в блочной Вселенной) должно вытекать из более фундаментального описания, в котором ни пространство, ни время не являются простейшими понятиями. Такое описание включает теорию петлевой квантовой гравитации, теорию причинных множеств и некоторые подходы в теории струн.

Представьте, что пространство не непрерывно, а являет собой дискретную решетку из точечных узлов (рис. 13). Частицы “живут” на узлах решетки и могут передвигаться прыжками к соседям. Две частицы оказывают влияние друг на друга, если они оказываются по соседству. Если решетка имеет низкую размерность, то число частиц, доступных для взаимодействия, незначительно. Оно растет вместе с размерностью. Мы можем представить, что фотоны перемещаются по узлам. Чтобы отправить фотон к далекой частице, надо совершить множество прыжков, а это требует времени.

Теперь представьте мир, основанный на сети с множеством дополнительных подключений. Он компактнее в том смысле, что требует меньше шагов и времени для передачи сигнала между узлами.

Один из принципов новой космологии предусматривает, что ничего не действует без того, чтобы самому не испытывать воздействие. Так, если сеть определяет перемещение частиц, не должна ли она меняться? Такой физический мир не слишком отличается от социума. Мир – это динамическая сеть связей. Все, что живет в сети (и сама структура сети), эволюционирует. Так выглядит мир в фононезависимых подходах в квантовой гравитации.

Теория петлевой квантовой гравитации – первый и наиболее развитый фононезависимый подход к квантовой гравитации. Здесь пространство описывается как динамическая сеть связей. Типичное квантовое состояние геометрии пространства можно представить в виде графа – фигуры с множеством ребер, соединяющих узлы или вершины (рис. 14). Ребра, которые показывают некие примитивные отношения между узлами, имеют метки с указанием связей между соответствующими узлами. Эти метки могут быть целыми числами: целое число соответствует маркировке ребра. (Узлы также имеют метки, но это более сложное описание.)

Напомним, в квантовой физике энергия атома квантуется и лишь некоторые состояния с определенными дискретными уровнями энергии обладают определенными ее значениями. В теории петлевой квантовой гравитации области пространства также квантуются и могут иметь лишь определенные дискретные значения объема. Квантуются и площади поверхностей [140] . Петлевая квантовая гравитация дает точные предсказания для спектров объемов и площадей, которые можно экспериментально проверить. Например, отсюда следуют точные предсказания для спектров излучения, исходящего от маленьких черных дыр [141] .

140

Эксперты могут сказать, что объем и площадь не являются физическими характеристиками, поскольку они не инвариантны относительно диффеоморфизма пространства-времени. Но бывают случаи, когда они выступают физическими характеристиками – либо потому, что являются свойствами границ, на которых зафиксирован диффеоморфизм, либо потому, что зафиксирована шкала и физическое описание эволюции системы дается при помощи гамильтониана.

141

См.: Barrau, Aurelien, et al. Probing Loop Quantum Gravity with Evaporating Black Holes // arXiv:1109.4239v2 (2011).

Рис. 14. Типичное состояние квантовой геометрии пространства в виде графа.

Возьмем швейную иглу. Она гладкая. При этом известно, что она сложена из атомов, организованных в кристаллическую решетку (и это видно в микроскоп). Пространство видится “гладким”, но если верна теория петлевой квантовой гравитации, оно состоит из блоков – “атомов” пространства. Если бы мы могли наблюдать природу на планковских масштабах, то увидели бы: гладкость пространства трансформируется именно так.

В общей теории относительности (ОТО) геометрия пространства становится динамичной. Она меняется во времени в соответствии с перемещением материи или распространением гравитационных волн. Но если на планковских масштабах геометрия пространства действительно имеет квантовую природу, то изменения в ней должны вытекать из изменений на таких же масштабах. В квантовой геометрии должны, например, возникать колебания пространства, соответствующие прохождению гравитационных волн. Триумф петлевой квантовой гравитации состоит в том, что динамика пространства-времени, которая описывается уравнениями ОТО, может быть закодирована в простых правилах эволюции графов (рис. 15) [142] .

142

В какое время? Любое! В теории петлевой квантовой гравитации время является произвольным, так как оно возникает в результате квантования ОТО.

Рис. 15. Правила эволюции графов во времени в петлевой квантовой гравитации. Каждое движение может действовать на отдельные части графика, как показано на рисунке.

Это преобразование уравнений Эйнштейна в правила изменения графов работает в обоих направлениях. Вы можете начать с теории Эйнштейна и преобразовать классическую теорию в квантовую. Эта процедура испытана на множестве теорий. Применить ее к ОТО технически сложно, однако если эта задача решена верно, складывается картина с четкими правилами изменения графов во времени. Мы называем петлевую квантовую гравитацию “квантовой ОТО” [143] .

143

В оригинальном подходе к петлевой квантовой гравитации граф рассматривался в простейшем трехмерном пространстве. Все, что могло быть измерено (длина, площадь, объем), не было зафиксировано. Зато были зафиксированы размерность пространства, его связанность или топология. (Под топологией мы подразумеваем то, как пространство связанно. Топология не изменяется, когда форма претерпевает изменения без разрывов.) Топологию легче всего объяснить на примерах и визуализировать в двух измерениях. Рассмотрим замкнутую двумерную поверхность. Это может быть сфера или поверхность тора (бублика). Вы можете плавно деформировать сферу, но не можете плавно перевести сферу в тор. Другие топологии двумерных поверхностей могут напоминать пончики с многочисленными отверстиями. Как только мы зафиксируем топологию пространства, мы можем рассмотреть способы, с помощью которых граф может быть погружен в него. Например, ребра графа могут быть связаны узлом, заплетены или как-то иначе связаны друг с другом. Каждый из способов встраивания графа в пространство соответствует различным квантовым состояниям геометрии (хотя в большинстве современных работ по квантовой гравитации графы определяются без указания на эти способы).