Микроструктура пространства и времени: квантовая гравитация  

У нас было целое столетие, дабы привыкнуть к мысли о том, что простые вещества – жёсткие тела, жидкости и газы – имеют дискретную ядерную либо молекулярную структуру. Не имеет возможности ли быть дискретного строения и у пространства, и у времени? Пространство думается гладким континуумом, но это лишь из-за опыта, которым мы владеем, а также самые мудреные опыты через чур неотёсанны, дабы найти тот самый масштаб, в котором такая структура может себя показать.

Мы не знаем подробной микроструктуры пространства и времени, но самые общие рассуждения показывают, что они не смогут быть поделены на сколь угодно мелкие частицы. Деталь соответствующего масштаба возможно найдена лишь посредством излучения, имеющего длину волны меньше этого масштаба. К примеру, здания не преграждают путь радиоволнам длиной во довольно много метров, но отбрасывают тени, в то время, когда на них падает солнечный свет. Свет складывается из волн, имеющих длину в миллионную долю метра, исходя из этого ничто более мелкое нельзя увидеть посредством простого оптического микроскопа. Дабы рассмотреть более мелкие детали, требуются еще более маленькие волны (либо какие-то другие технические приспособления, такие как электронный микроскоп). Но в соответствии с квантовой теории, более маленькие волны связаны с бо?льшими квантами (либо порциями) энергии.

Основной единицей измерения квантов энергии помогает постоянная Планка (число, названное в честь великого физика Макса Планка, который столетие назад первым ввел представление о квантовании). До определенного момента мы можем искать все более мелкую деталь, со все возрастающей энергией применяя кванты, связанные со все более маленькими волнами. Но существует предел. Данный предел появляется, в то время, когда нужный квант имеет такую концентрацию энергии, что сворачивается в черную дыру. Это происходит при достижении планковской длины, которая приблизительно в 1019 раз меньше протона; любой квант с таковой маленькой длиной волны несет в себе столько же энергии, сколько образовывает энергия массы спокойствия 1019 протонов. Свету требуется приблизительно 10–43 секунд, дабы преодолеть это расстояние, и это «планковское время» – малейший временной промежуток, который возможно измерен. Исходя из этого кроме того пространство и время являются объектами квантовых эффектов. Однако по прочине слабости тяготения эти эффекты включаются в масштабах, намного меньших простых атомов, тогда как на обычных для мира атомов расстояниях управление берут на себя электрические силы. (Это последствие огромности нашего первого космического числа N.)

Кое-какие физики более склонны к догадкам, чем другие. Но кроме того самые наглые из них признают масштаб планковских величин как конечный предел. Мы не можем измерить расстояние меньшее, чем планковская протяженность; мы не можем разграничить два события (либо решить, какое из них случилось первым), в то время, когда временной промежуток между ними меньше планковского времени. Эти масштабы меньше атомов во столько же раз, во какое количество сами атомы меньше звезд. В этом царстве нет никаких возможностей для ярких измерений: для них потребуются частицы с энергией в миллион миллиардов раз выше, чем возможно взять в лаборатории.

 

Два великих «столпа науки» XX в. – это квантовая механика, действующая в микромире, и теория тяготения Эйнштейна, которая не включает квантовые понятия. У нас нет единой базы, дабы согласовать и объединить эти теории. Данный недостаток не препятствует ни прогрессу земной науки, ни формированию астрономии, в силу того, что большая часть явлений связаны или с квантовыми эффектами, или с тяготением, но не с тем и другим сходу. Благодаря нашему огромному числу N тяготением возможно пренебречь в микромире атомов либо молекул, где серьёзны квантовые эффекты. Квантовую неопределенность возможно проигнорировать в небесном царстве планет, звезд и галактик, где притяжение берет власть в свои руки. Но в начале квантовые вибрации могли потрясать всю Вселенную, и тяготение возможно серьёзным в масштабе одного кванта. Это происходит в масштабах планковского времени, 10–43 секунды. Чтобы выяснить, что происходило в первые мгновения Большого взрыва, либо узнать структуру пространства и времени территории сингулярности в черных дыр, нам необходимо объединение квантовой теории и теории тяготения.

Простое восприятие бессильно, в то время, когда речь заходит о скоростях, приближающихся к скорости света, либо о том, что происходит около черных дыр, в экстремальных условиях ранней Вселенной либо в микромасштабах, родных к планковской длине. Тут мы должны отбросить наши комфортные общепринятые представления о пространстве и времени: черные дыры (The Black Hole) смогут появляться и исчезать; пространство-время в этих маленьких масштабах может иметь хаотичную, напоминающую пену, структуру без четко определенного направления течения времени. Флуктуации смогут создавать новые области, каковые развиваются в отдельные вселенные. Пространство может иметь что-то вроде решетчатой структуры либо быть сотканным из узелков, как кольчуга. Время может стать таким, как пространство, исходя из этого в этом смысле нельзя говорить о начале времени.

Единственное место, где еще существует квантовая гравитация, – это центральная сингулярность в черной дыры, скрытая за горизонтом событий. Теорию, следствия из которой не проявляются нигде, не считая таких экзотических мест, тяжело проверить. Дабы принимать ее серьезно, она обязана либо полностью встроиться в какую-либо всеохватывающую теорию, которую возможно проверить различными методами, либо обязана восприниматься как уникальная, такая, к выводам из которой все неизбежно сводится.

Существует пара подходов, но нет единого мнения по поводу того, какой из них есть верным. (Стивен Хокинг (На момент подготовки к печати русского издания данной книги (март 2018 г.) Стивен Хокинг уже умер. – Прим. ред.) на данный момент бьется об заклад, что в течение 20 лет появится общая теория, не смотря на то, что и признает, что ему пришлось платить, проиграв подобное пари, которое он заключал 20 лет назад!) Самым амбициозным и многообещающим подходом есть, по всей видимости, теория суперструн, которая обходным манером идет прямиком к объединенной теории всех сил и в качестве дополнительного бонуса объясняет квантовую гравитацию.