Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Ранее я уже представлял уравнения Эйнштейна. И вновь я не могу противиться искушению привести здесь полную систему уравнений петлевой теории, несмотря на то что читатель, очевидно, не сможет их расшифровать, если только не предпримет глубокое погружение в математику. Кто-то однажды сказал, что теория не заслуживает доверия, если ее уравнения нельзя записать на футболке. На рис. 7.7 представлена такая футболка с петлевой квантовой гравитацией.

Рис. 7.7. Уравнения петлевой квантовой гравитации на футболке

Эти уравнения[108] – математическая форма изложения картины мира, которую я описывал в последних двух главах. Мы вовсе не уверены в правильности этих уравнений, но, по моему мнению, это лучшая из имеющихся на сегодня формулировок квантовой гравитации.

Пространство – это спиновая сеть, узлы которой представляют его элементарные зерна, а ребра описывают их отношения близости. Пространство-время порождается процессами, в которых эти спиновые сети превращаются друг в друга, и эти процессы описываются суммами по спиновым сетям. Спиновая пена представляет историю спиновой сети, то есть зернистого пространства-времени, в котором узлы графа объединяются и разделяются.

Эти микроскопические роящиеся кванты, которые порождают пространство и время, лежат в основе окружающей нас безмятежной макроскопической реальности. Каждый кубический сантиметр пространства и каждая проходящая секунда есть порождение этой танцующий пены крошечных квантов.

Пространство как сцена исчезло, время исчезло, классические частицы исчезли, как и классические поля. Так из чего же состоит мир?

Ответ теперь прост: частицы – это кванты квантовых полей; свет образован квантами поля; пространство – это не более чем поле, которое также состоит из квантов; время появляется из процессов в тех же полях. Другими словами, мир целиком состоит из квантовых полей (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Из чего состоит мир? Из одного-единственного ингредиента – ковариантных квантовых полей

Эти поля не живут в пространстве-времени; они, так сказать, просто живут: одно поверх другого – поля на полях. Пространство и время, которые мы воспринимаем в крупных масштабах, это наш размытый и приблизительный образ одного из этих квантовых полей – гравитационного поля.

Поля, которые живут сами по себе, не нуждаясь в пространстве-времени в качестве субстрата или опоры, и которые способны сами порождать пространство-время, называются ковариантными квантовыми полями. Сущность, составляющая наш мир, радикально упростилась за последние годы. Мир, частицы, свет, энергия, пространство и время – все это есть не что иное, как проявление одного-единственного типа сущностей – ковариантных квантовых полей.

Ковариантные квантовые поля стали сегодня лучшим описанием того, что мы можем назвать апейроном (ἄπειρον) – первичной субстанцией, из которой образовано все остальное. Это понятие выдвинул человек, который, вероятно, может быть назван первым ученым и первым философом, – Анаксимандр[109].

Граница между искривленным и непрерывным пространством эйнштейновской общей теории относительности и дискретными квантами квантовой механики, помещенными в плоское однородное пространство, исчезает. Кажущегося противоречия больше нет. Между континуумом пространства-времени и квантами пространства отношения такие же, как между электромагнитными волнами и фотонами. Волны дают приближенное крупномасштабное представление о фотонах. Фотоны – это способ, которым взаимодействуют волны. Непрерывные пространство и время – это крупномасштабный образ динамичных квантов гравитации. Кванты гравитации – это способ, которым взаимодействуют пространство и время. Одна и та же математика согласованно описывает квантовое гравитационное поле и другие квантовые поля.

Концептуальная цена, уплаченная за это, – отказ от традиционных идей пространства и времени в качестве общих структур, в рамки которых помещается мир. Пространство и время – это приближения, которые возникают лишь в крупных масштабах. Кант, по-видимому, был прав, утверждая, что субъект знания и его объект неразделимы, но он определенно ошибался, когда рассматривал ньютоновские пространство и время как априорные формы знания, неотъемлемые составляющие грамматики, необходимой для понимания мира. Эта грамматика изменилась и продолжает изменяться с ростом нашего знания.

Общая теория относительности и квантовая механика в конечном счете не настолько несовместимы, как это кажется. При тщательном рассмотрении они пожимают руки и замечательно вступают в диалог. Пространственные отношения, которые составляют суть эйнштейновского искривленного пространства, это ровно те же взаимодействия, которые составляют суть отношений между системами в квантовой механике. Две теории становятся совместимыми и объединяются подобно двум сторонам одной монеты, как только мы понимаем, что пространство и время – это проявления квантового поля и что квантовые поля могут существовать, даже не будучи помещенными во внешнее пространство.

Эта утонченная картина фундаментальной структуры физического мира и есть предлагаемый сегодня квантовой гравитацией новый взгляд на реальность.

Главное преимущество, которое дает эта физика, состоит, как мы увидим в следующей главе, в исчезновении бесконечностей. Бесконечно малого больше не существует. Бесконечности, портящие жизнь в квантовой теории поля, предпосылкой которых служит представление о непрерывном пространстве, теперь исчезают, поскольку они порождаются именно этим физически некорректным допущением о непрерывности пространства. Сингулярности, в которых уравнения Эйнштейна теряют смысл, когда гравитационное поле становится слишком сильным, тоже исчезают: они возникают лишь в результате пренебрежения квантованием поля. Шаг за шагом фрагменты пазла встают на свои места. В последней части книги я остановлюсь на некоторых физических следствиях этой теории.