АстроДзен           24 апреля  

Физики полагают, что на микроскопическом уровне пространство состоит из квантов. Как выглядят эти мельчайшие строительные блоки?

Люди всегда принимали пространство как должное. Это — лишь пустота, фон для всего остального.

Подобно времени — простейших тиков всего сущего. Но если физики выяснили хоть что-то путём долгих и утомительных унификаций теорий, так это то, что пространство и время образуют систему настолько ошеломляющей сложности, что она может бросить вызов нашим самым усердным усилиям понять её.

Альберт Эйнштейн увидел приближение этого ещё в ноябре 1916. Годом ранее он сформулировал общую теорию относительности, которая постулирует, что гравитация — это не сила, распространяющаяся в пространстве, а особенность самого пространства-времени. Когда вы подбрасываете шарик высоко в воздух, он возвращается к Земле, потому что Земля искажает пространство-время вокруг него так, что пути шара и Земли снова пересекаются. В письме к другу Эйнштейн затрагивал проблему слияния общей теории относительности со своим другим детищем — зарождающейся теорией квантовой механики, которая не просто исказила бы пространство, а демонтировала его. Математически он не знал, с чего начать. "Как же я уже намучился на этом пути!", — писал он.

Эйнштейну так и не удалось добраться. Даже на сегодняшний день существует столько теорий квантовой гравитации, сколько самих ученых, работающих над этой темой. В спорах скрывается важная истина: все конкурирующие подходы считают, что пространство происходит из чего-то, лежащего гораздо глубже — идея, которая сломила 2,500 лет научного и философского понимания.

Кухонный магнит способен отдалённо продемонстрировать проблему, с которой сталкиваются физики. Он способен притянуть скрепку, воздействуя против земной гравитации. Гравитационная сила слабее, чем электрическая или ядерная. Независимо от того, какие квантовые эффекты принимаются во внимание, она всё равно слабее. Единственное наглядное доказательство того, что эти процессы происходят — пестрота первичной материи в ранней Вселенной, которая, как полагают, вызвана, в частности, квантовыми флуктуациями гравитационного поля.

Чёрные дыры (ЧД) — лучший пример квантовой гравитации. "Это ближайший объект, что у нас есть для экспериментов", — говорит Тед Джекобсон [Ted Jacobson] из Колледж-Парка, Университет штата Мэриленд. Он и другие теоретики изучают чёрные дыры как теоретические “точки опоры”. Что произойдёт если уравнения, которые прекрасно работают в лабораторных условиях, экстраполировать на наиболее экстремальную ситуацию из возможных?

Проявится ли какая-либо незримая неточность?

Общая Теория Относительности предсказывает, что вещество, попадающее в чёрную дыру, будет сжиматься без ограничений по мере приближения к центру — математический cul-de-sac, называемый сингулярностью. Теоретики не могут экстраполировать траекторию объекта за пределами сингулярности — там заканчивается его линия времени. Даже говорить об этом проблематично, потому что само пространство-время, определяющее местоположение сингулярности, перестаёт существовать. Исследователи надеются, что квантовая теория сможет создать фокус на микроскопии этой точки и позволит отследить путь, который создаёт падающая материя.

Вне границ чёрной дыры материя не сжимается так сильно, так как здесь гравитация слабее и, по всем правилам, законы физики всё ещё должны сохраняться. И то, что они не сохраняются, ещё более всё запутывает. Чёрная дыра демаркирована (ограничена) областью горизонта событий — точкой невозврата, материя, попадающая туда, не может вернуться. Даунхилл необратим. Это является проблемой потому что все известные законы фундаментальной физики, в том числе квантовая механика, в общем их прочтении, обратимы в том смысле, что должна быть возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить первичное расположение.

С похожей головоломкой физики столкнулись в конце 1800-х годов при рассмотрении математики абсолютно чёрного тела, формализованного как полость, заполненная электромагнитным излучением. Теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла предсказывает, что такой объект поглотит всё излучение, которое на него падает, и никогда не придёт к равновесию с окружающей материей. "Оно поглотит бесконечное количество тепла из резервуара, в котором поддерживается постоянная температура", — объясняет Рафаэль Соркин [Rafael Sorkin] из Института Теоретической Физики в Онтарио.

В постоянных температурных условиях оно будет иметь температуру около абсолютного нуля. Этот вывод противоречит наблюдениям реальных абсолютно чёрных тел (таких, как печь). Основываясь на работе Макса Планка, Эйнштейн показал, что абсолютно чёрное тело способно достичь теплового равновесия если энергия излучения поступает в дискретных единицах, или квантах.

Физики-теоретики примерно полвека пытались достигнуть такого же решения для чёрных дыр. Покойный Стивен Хокинг в середине 1970-х годов сделал огромный шаг, применив квантовую теорию к полю излучения вокруг чёрных дыр и показал, что они имеют температуру, отличную от нуля. Таким образом, чёрные дыры могут не только поглощать, но и излучать энергию.

Хотя его анализ привёл к чёрным дырам в контексте термодинамики, это лишь углубило проблему необратимости. Излучение выходит из границ ЧД, не неся никакой информации о внутренних процессах. Это случайная, спонтанная тепловая энергия. Если обратить процесс и вернуть энергию обратно, попавшее внутрь не выскочит обратно, получится лишь больше тепла. Нельзя допустить, что изначальное вещество ещё существует, только теперь внутри ЧД, потому как чёрная дыра излучает радиацию, вследствие чего сжимается и, согласно анализу Хокинга, в итоге исчезает.

Эта проблема носит название "информационный парадокс" из-за того, что чёрная дыра уничтожает информацию о попадающих внутрь частицах, которая могла позволить восстановить траекторию движения. Если физика чёрных дыр в действительности обратима, что-то должно возвратить информацию и возможно, концепция пространства-времени претерпит изменения.

Тепло — это случайное движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, резонно, что у них есть части или, более обобщённо, микроскопические структуры. И так как чёрные дыры — лишь пустота в пространстве (в соответствии с общей теорией относительности, падающая материя пересекает горизонт событий, но не может задержаться на нём), части чёрной дыры должны являться частями самого пространства.

Со всей своей простотой, каким выглядит пустое пространство, на невидимом уровне оно чрезвычайно сложно. Даже существующие теории, которые призваны объяснить понятие пространства-времени, увенчиваются тем, что нечто большее скрывается за "безликим фасадом". К примеру, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг [Steven Weinberg], ныне работающий в Университете Техаса в Остине, стремился описать гравитацию во многом так же, как остальные силы природы. И обнаружил, что пространство-время радикально изменено на микроскопическом уровне.

Изначально физики представляли микроскопический участок пространства как мозаику из небольших участков пространства. Они думали, что при уменьшении масштаба до Планковской шкалы — невероятно малого размера (10 в -35 степени метров), будет видно что-то, напоминающее шахматную доску. Однако, это не совсем так. Так, линии сетки шахматной доски будут иметь направление относительно других, создавая асимметрию, которая противоречит специальной теории относительности. К примеру, свет разных цветов может перемещаться с разными скоростями — как в стеклянной призме, которая преломляет свет на составляющие цвета. Тогда как эффекты на малых масштабах обычно трудно увидеть, нарушения относительности в действительности будут довольно очевидными.

Термодинамика чёрных дыр ставит под сомнение представление пространства как простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, в теории, возможно сосчитать составляющие её части. Добавьте энергию и следите за термометром. Если он “выстреливает”, эта энергия должна распространяться на сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, это будет измерением энтропии, которая являет собой макроскопическую сложность системы.

Если провести этот опыт с обычным веществом, количество молекул будет увеличиваться с объёмом материала. То есть, должно быть так: при увеличении радиуса пляжного мяча в 10 раз, количество молекул внутри него увеличится в 1000 раз. Однако, при увеличении радиуса чёрной дыры в 10 раз, количество составляющих её молекул увеличится лишь стократно. Количество молекул, из которых она состоит, должно быть пропорционально не объёму, а площади занимаемой поверхности. Чёрная дыра может выглядеть трёхмерным объектом, но её поведение как у двумерного объекта.

Этот эффект назван голографическим принципом из-за схожести с голограммой, которая представляется нам трёхмерным объектом, оказывающимся при детальном рассмотрении изображением, созданным двумерным листом плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические составляющие пространства и его содержимого, как принято физиками, широко, хотя и не повсеместно, оно должно занимать больше места, чем склеенные вместе его составляющие.

Во всяком случае, отношение части к целому не так элементарно. Молекула H2O — не просто маленькая часть воды. Рассмотрим поведение жидкой воды: она течёт, образует капли, рябь и волны, замерзает и кипит.

Одиночная молекула H2O не делает ничего из перечисленного — это коллективное поведение молекул. Аналогично, формирующие пространство блоки не обязательно должны сохранять поведение пространства. "Атомы пространства — не самые маленькие части самого пространства", — сказал Даниэль Орити из Института гравитационной физики им. Макса Планка в Германии. "Они являются составляющими пространства. Геометрические свойства пространства — новые, коллективные, приближенные свойства системы, состоящей из множества атомов.”

Именно эти блоки зависят от теории.

В теории петлевой квантовой гравитации они представляют собой кванты объёма, агрегированные при помощи квантового принципа. В теории струн они являются полями, подобными электромагнитным полям, которые существуют на поверхности и обнаруживают себя скручиваниями нитей или петлями энергии, так называемыми струнами. В М-теории, которая является частью теории струн и может лежать в её основе, они — особый тип частиц: мембрана, сжимающаяся до точки. В теории причинно-следственных связей они являются событиями, связанными с паутиной причины и следствия. В теории амплификации и некоторых других подходах строительных блоков вовсе нет — во всяком случае, в привычном смысле.

И хотя организационно эти теории различны, все стремятся поддерживать некоторую версию так называемого реляционизмаГоттфрида Лейбница [Gottfried Leibniz], немецкого философа XVII-XVIII столетий. В широком смысле под реляционизмом предполагается, что пространство возникает из определённой структуры корреляций между объектами. В этом представлении пространство — это головоломка.

Вы начинаете с большого неупорядоченного набора частей, видите, как они соотносятся и размещаете их соответственно. Если две части схожи, например по цвету, их следует расположить рядом. Если они значительно различаются, вы постараетесь расположить их подальше друг от друга. Обычно физики выражают эти взаимоотношения как сеть с определённой структурой связности. Отношения обусловлены квантовой теорией, либо другими принципами и, вследствие, обуславливается пространственное расположение.

Фазовые переходы — ещё одна общая тема. Если пространство ассемблировано (собрано), оно может быть также и дизассемблировано (разобрано), тогда строительные блоки могут стать основой чего-то, что не является пространством вовсе. "Подобно различным фазовым состояниям материи, таким как лёд, вода и водяной пар, атомы пространства также могут перестраиваться на разных фазах", — говорит Тану Падманабхан [Thanu Padmanabhan] из Межвузовского Центра Астрономии и Астрофизики в Индии. С этой точки зрения, чёрные дыры могут быть местами, где плавится пространство. Известные теории оказываются несостоятельными, а более общая теория описывает что происходит в новой фазе. Даже когда пространство заканчивается, физика продолжается.

Большой шаг последних лет, благодаря которому были пресечены старые дисциплинарные границы, заключается в том, что соответствующие отношения включают квантовую запутанность. Необычайно мощный тип корреляции, свойственный квантовой запутанности, выглядит более примитивным, чем пространство. Например, экспериментатор может создать две частицы, разлетающиеся в противоположных направлениях. Если между ними существует квантовая запутанность, они останутся скоординированными независимо от дальности друг от друга.

Обычно, когда люди говорили о "квантовой" гравитации, имелись в виду квантовая дискретность, квантовые флуктуации и почти любой другой квантовый эффект (in the book), за исключением квантового запутывания. Что изменилось, когда чёрные дыры возникли в теме. На протяжении всей жизни чёрной дыры в неё попадают запутанные частицы, а после её полного испарения их партнёры снаружи остаются запутанными ни с чем. "Хокинг должен был назвать это проблемой запутывания", говорит Самир Матур [Samir Mathur] из университета штата Огайо.

Даже в вакууме, где почти нет частиц, электромагнитное и другие поля внутренне запутаны. Измерения поля в двух разных местах будут колебаться случайным, но скоординированным образом. И если разделить эту область пополам, части будут скоррелированы, со степенью корреляции, зависимой только от единственной геометрической величины, общей для этих частей — площади их интерфейса. В 1995 Якобсон постулировал, что запутанность обеспечивает связь между наличием материи и геометрией пространства-времени, что значит, что она может объяснить закон гравитации. "Большая запутанность подразумевает более слабую гравитацию, то есть более плотное пространство-время".

Несколько подходов к квантовой гравитации, прежде всего теория струн, сейчас видят теорию струн как ключевую. Теория струн распространяет голографический принцип не только на чёрные дыры, а также и на всю Вселенную в целом, предоставляя рецепт создания пространства или, по крайней мере, некоего его подобия. К примеру, двумерное пространство может быть нарезано на поля, которые при правильном расположении генерируют дополнительное измерение пространства. Первоначальное двумерное пространство служило как бы границей более экспансивной области, объёмного пространства. И запутывание — это то, что связывает большую часть пространства в непрерывное целое.

В 2009 году Марк Ван Раамсдонк [Mark Van Raamsdonk] из университета Британской Колумбии высказал изящный аргумент в поддержку этого процесса. Предположим, поля на границе не запутаны, тогда они образуют пару некоррелированных систем. Тогда они соответствуют двум отдельным вселенным без возможности перемещения между ними. Когда системы становятся запутанными, похоже, что туннель или червоточина открывается между этими вселенными и космический корабль способен перемещаться от одной к другой.

По мере того, как степень запутанности увеличивается, червоточина сжимается по длине, объединяя вселенные до тех пор, пока о них больше нельзя будет сказать, как о двух раздельных вселенных. "Появление большого пространства-времени напрямую связано с запутыванием этих степеней свободы теории поля", считает Ван Раамсдонк. Когда мы наблюдаем корреляции в электромагнитном и других полях, они являются остатком связывания, соединяющего эти пространства.

Многие другие признаки пространства, помимо его смежности, также отражают запутывание. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл [Brian Swingle], ныне работающие в университете штата Мэриленд, Колледж Парк, утверждают, что вездесущность запутывания объясняет универсальность гравитации в том контексте, что она охватывает все объекты и не может быть экранирована.

Что касается чёрных дыр, Леонард Сасскинд [Leonard Susskind] из Стенфордского Университета и Хуан Мальдацена [Juan Maldacena] из Института перспективных исследований в Принстоне Нью Джерси полагают, что запутанность между чёрной дырой и испускаемым ею излучением создаёт червоточину — чёрный вход. Это может пролить свет на сохранение информации и обеспечить обратимость физики чёрных дыр.

В то время как идеи Теории струн работают только для определённых геометрий и воспроизводят лишь одномерное пространство, некоторые исследователи предприняли попытку объяснить как всё пространство возникает с нуля. К примеру, Чунджун Сао [ChunJun Cao], Спрайдон Мичалакис [Spyridon Michalakis] и Шон Кэрролл [Sean M. Carroll], группа из Калтеха, начали с минималистичного описания квантовой системы, сформулированного без прямой отсылки на пространство-время или материю. Если эта система имеет правильную структуру корреляций, она может быть расщеплена на составные части, которые могут рассматриваться как различные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.

В физическом мире и, в более общем смысле, естественных науках, пространство и время являются основой всех теорий. Однако, мы не наблюдаем пространство-время непосредственно. Скорее, мы выводим его существование косвенно из нашего опыта. Мы предполагаем, что наиболее экономичным объяснением явлений, которые мы наблюдаем, является некий механизм, который действует в пространстве-времени. Но основная суть квантовой гравитации заключается в том, что не все явления чётко вписываются в пространство-время. Физикам нужно будет отыскать некую новую, фундаментальную структуру, и когда это произойдёт, им удастся завершить революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.

Источник: https://www.scientificamerican.com/article/what-is-spacetime/

Перевод: Black Sahara

Редактура: Игорь Тирский