Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Между этими тремя результатами есть нечто общее – полное отсутствие неожиданностей. Это не умаляет их значимости, скорее наоборот, придает им более глубокий смысл. Открытие бозона Хиггса – это железобетонное подтверждение правильности идей, стоящих за Стандартной моделью элементарных частиц, основанной на квантовой механике. Это подтверждение предсказания, сделанного тридцать лет назад. Измерения «Планка» – это надежное подтверждение Стандартной космологической модели, основанной на общей теории относительности с космологической постоянной. Обнаружение гравитационных волн – это тоже впечатляющее подтверждение общей теории относительности, созданной сто лет назад. Все три результата получены благодаря невероятным технологическим достижениям и плотному сотрудничеству сотен ученых, занятых углублением нашего понимания строения Вселенной. Ничего неожиданного.

Рис. 9.1. Событие в ЦЕРНе, которое показывает образование частицы Хиггса

Рис. 9.2. Спутник «Планк»

Однако такое отсутствие сюрпризов само по себе воспринимается как сюрприз, поскольку многие надеялись встретить что-то неожиданное, некую «новую физику», еще не описанную устоявшимися теориями. Они предполагали, что в ЦЕРНе будет открыта суперсимметрия, а не бозон Хиггса. Также многие ждали, что «Планк» обнаружит отклонения от Стандартной космологической модели, которые будут свидетельствовать в пользу космологических моделей, альтернативных тем, что основаны на общей теории относительности.

Но нет. Природа подтверждает простую версию: общая теория относительности и квантовая механика, а в рамках квантовой механики – Стандартная модель.

Сегодня многие физики-теоретики ищут новые теории путем произвольного выбора гипотез: «Представим, что…» Не думаю, что на таком пути в науке можно получить хорошие результаты. Наша фантазия слишком ограниченна, чтобы «представить», как может быть устроен мир, если только мы не вдохновляемся в наших поисках теми уликами, которые есть в нашем распоряжении. Имеющиеся улики – наши подсказки – это либо показавшие свою успешность теории, либо новые экспериментальные данные, и ничего иного. Именно в этих данных и теориях следует пытаться открыть то, что пока недоступно нашему воображению. Именно так действовали Коперник, Ньютон, Максвелл и Эйнштейн. Они никогда не пытались просто угадать новую теорию, в отличие от того, как, на мой взгляд, пытаются действовать сегодня многие физики-теоретики.

Три названных мною экспериментальных результата говорят голосом самой Природы: «Кончайте выдумывать новые поля и странные частицы, дополнительные измерения, другие симметрии, параллельные вселенные, струны и все тому подобное. Детали пазла проще: общая теория относительности, квантовая механика и Стандартная модель. Следующий шаг вперед может быть “лишь” вопросом их правильного комбинирования».

Это обнадеживающее сообщение для сообщества петлевой квантовой гравитации, поскольку гипотезы, лежащие в основе этой теории – общая теория относительности, квантовая механика, совместимость со Стандартной моделью и ничего больше. Радикальные концептуальные выводы – кванты пространства, исчезновение времени – это не смелые гипотезы, а рациональные следствия, вытекающие из принятия всерьез фундаментальных положений наших лучших теорий.

Еще раз подчеркну: у нас нет надежных доказательств. Супер-симметричные частицы все же могут существовать, например, в масштабах, которых мы еще не достигли, и они могут существовать, даже если верна петлевая теория. Суперсимметрия не проявилась там, где ее ожидали, в результате чего сторонники теории струн немного приуныли, а у петлевых теоретиков настроение приподнялось, но все это по-прежнему вопрос улик, никаких твердых доказательств пока нет.

Чтобы найти более надежные подтверждения этой теории, надо посмотреть в другую сторону. Ранняя Вселенная открывает перед нами окно для предсказаний, которые способны подтвердить теорию. Или же опровергнуть ее. Причем у нас есть основания надеяться, что произойдет это в не столь отдаленном будущем.

Если у нас есть уравнения, описывающие переход Вселенной через квантовую фазу, мы можем рассчитать влияние квантовых явлений на Вселенную, какой мы ее наблюдаем сегодня. Вселенная заполнена излучением: это море фотонов, сохранившихся в космосе с ранней горячей фазы, остаточное свечение от прежнего высокотемпературного состояния.

Электромагнитное поле в необозримом космическом пространстве между галактиками покрыто рябью подобно морской поверхности после сильного шторма. Это волнение, заполняющее всю Вселенную, называется реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоном. В прошлые годы его изучали спутники COBE и WMAP, а совсем недавно – «Планк». Картина ничтожных флуктуаций этого излучения представлена на рис. 9.3. Особенности структуры этого излучения рассказывают нам об истории Вселенной, а в деталях этой структуры могут быть скрыты следы ее квантового рождения.

Одно из наиболее активных направлений исследования в петлевой квантовой гравитации – это изучение того, как на этих данных отражается квантовая динамика первичной Вселенной.

Рис. 9.3. Флуктуации космического микроволнового фона. Это изображение самого старого объекта во Вселенной, доступного нашим наблюдениям. Флуктуации, которые здесь видны, были порождены 14 миллиардов лет назад. В их статистике мы надеемся найти подтверждение предположениям квантовой гравитации

Результаты пока предварительные, но вдохновляющие. Дополнительные вычисления и более точные измерения должны сделать возможной проверку этой теории.

В 2013 году Абэй Аштекар, Айвен Агулло и Уильям Нельсон опубликовали статью, в которой рассчитали, что при некоторых дополнительных предположениях статистическое распределение флуктуаций этого космического излучения должно демонстрировать влияние первичного отскока: широкоугольные флуктуации должны отличаться от тех, которые предсказываются теорией, не принимающей во внимание кванты. Современное состояние измерений представлено на рис. 9.4, где черная линия соответствует предсказанию Аштекара, Агулло и Нельсона, а серые точки – данным измерений. Пока данных недостаточно, чтобы оценить, имеет ли место предсказанный авторами загиб черной линии вверх. Но измерения становятся все более точными. Ситуация продолжает меняться. Те, кто, как и я, всю жизнь занимаются поисками понимания секретов квантового пространства, с большим вниманием, тревогой и надеждой следят за непрерывным ростом наших возможностей наблюдать, измерять и вычислять и ждут момента, когда природа наконец ответит, правы мы или нет.