Новини
Що таке простір-час?
Навчання
Чим активніше вчені намагаються розібратися в пристрої простору і часу, тим заплутаніше все стає. Але й цікавіше - теж!
З точки зору фізики, досліджуючи мізерно малий простір, ми побачимо, що він складається з квантів. Але що це за цеглинки?
Люди, як правило, сприймають простір як щось само собою зрозуміле. Ну, справді: це просто-напросто порожнеча, фон для всього іншого. Час теж проста штука: безперестанку цокає і цокає. Однак, якщо фізики, які довгі роки билися над об'єднанням їх фундаментальних теорій, і зуміли витягти з цього хоч щось корисне, так це те, що простір і час утворюють систему такої приголомшливої складності, що будь-які, навіть найвідчайдушніші спроби осмислити її можуть виявитися марними.
Альберт Ейнштейн побачив цей результат, що назрівав, вже в листопаді 1916 року. Роком раніше він сформулював загальну теорію відносності, згідно з якою гравітація є не силою, що діє в просторі, а властивістю самого простору-часу. Куля, кинута високо вгору, по дузі повертається до землі, тому що Земля так спотворює навколишній його простір-час, що шляхи кулі і землі знову перетинаються. У листі до друга Ейнштейн розмірковував про проблему об'єднання загальної теорії відносності і його іншого дітища - квантової механіки, яка зароджувалася. Виходило, що, якщо об'єднання відбудеться, розмовами про те, що простір спотворюється, обмежитися не вдасться: доведеться вести мову про його демонтаж. Обдумуючи математичні розрахунки, він погано розумів, з чого слід почати. «Як же я змучив себе на цьому шляху!» - написав він.
Просунутися далеко Ейнштейну не вдалося. Навіть зараз конкуруючих версій квантової теорії гравітації майже стільки ж, скільки вчених, що працюють над даною темою. У гарячих суперечках упускають з уваги важливу істину: всі конкуруючі версії говорять про те, що простір походить від чогось більш глибокого. Ця ідея йде врозріз з 2500-річним досвідом наукового і філософського осмислення простору.
Вглиб чорної діри
Проблему, що стоїть перед фізиками, чудово ілюструє звичайний магніт. Він легко піднімає з підлоги скріпку, незважаючи на гравітацію цілої планети Земля. Гравітація слабша за магнетизм, електричні та ядерні зв'язки. Якими б не були квантові ефекти, вони надзвичайно слабкі. Єдине відчутне свідчення того, що вони все ж існують, - це жорсткий візерунок раннього Всесвіту, який, як вважають, не міг з'явитися без участі квантових флуктуацій гравітаційного поля.
Найкраще досліджувати квантову гравітацію за допомогою чорних дір. «Вони найкращі об'єкти для проведення експериментів», - говорить Тед Джекобсон (Ted Jacobson) з Мерілендського університету в Коледж-Парку (University of Maryland, College Park). Він та інші теоретики вивчають чорні діри як теоретичні точки опори. Що станеться, якщо взяти рівняння, які відмінно працюють під час лабораторних досліджень, і застосувати їх для чорної діри - найбільш екстремального об'єкта? Чи проявиться якась тонка вада?
Відповідно до загальної теорії відносності, варто якомусь матеріальному предмету потрапити в центр чорної діри - і він виявиться нескінченно стисненим. Це математичний глухий кут, який називається сингулярністю. Теоретики не можуть екстраполювати траєкторію предмета, що потрапив у чорну діру, за межі сингулярності; там припиняється не тільки траєкторія, а й лінія часу. Навіть говорити про «там» проблематично, бо сам простір-час, що визначає місце розташування сингулярності, перестає існувати. Дослідники сподіваються, що квантовій теорії вдасться виступити в ролі мікроскопа, що дає можливість розгледіти, що відбувається з матеріальним предметом, що потрапляє в сингулярність.
На підступах до чорної діри матерія не настільки стиснута і гравітація не настільки сильна, щоб не працювали відомі нам закони фізики. Однак вони, як це не дивно, не працюють. Межею чорної діри є горизонт подій, рубіж неповернення: матерія, яка сюди потрапляє, повернутися не може. Спуск в дірку незворотний, і це - фізична проблема, бо всі відомі нині закони фундаментальної фізики, в тому числі квантової механіки в її звичайній інтерпретації, обратими. У вас повинна бути, принаймні, принципова можливість звернути назад рух всіх частинок і відновити те, що у вас було.
Дуже схожа проблема постала перед фізиками в кінці 1800-х років, коли вони досліджували математику «чорного тіла», ідеалізована модель якого являє собою порожнину, заповнену електромагнітним випромінюванням. Згідно з теорією електромагнетизму Джеймса Клерка Максвелла, такий об'єкт повинен поглинати все випромінювання і ніколи не зможе прийти до рівноваги з навколишнім середовищем. «Він поглинає нескінченну кількість тепла з резервуара, температура якого залишається постійною», - пояснює Рафаель Соркін (Rafael Sorkin) з Інституту теоретичної фізики «Периметр» (Perimeter Institute for Theoretical Physics) в Онтаріо. Говорячи мовою термодинаміки, температура цього об'єкта фактично дорівнює абсолютному нулю. Цей висновок суперечить результатам спостереження за реальними чорними тілами (такими як піч). Спираючись на дослідження Макса Планка, Ейнштейн показав, що чорне тіло може досягти теплової рівноваги, якщо випромінювану енергію отримують дискретні одиниці, або кванти.
Над проблемою рівноваги чорних дір фізики-теоретики б'ються вже майже півстоліття. У середині 1970-х років Стівен Гокінг (Stephen Hawking) з Кембриджського університету (University of Cambridge) зробив величезний крок вперед: вивчаючи за допомогою квантової теорії поле випромінювання навколо чорних дір, він показав, що температура цих об'єктів не є нульовою. У такому випадку, вони не тільки поглинають, а й випромінюють енергію. Хоча завдяки Хокінгу чорні діри прописалися в термодинаміці, проблема незворотності погіршилася. Випромінювання чорної діри не несе ніякої інформації про те, що у неї всередині. Це випадкова теплова енергія. Якщо ви повернете дірці її енергію, то поглинені матерією не вискочать назад. ви просто отримаєте більше тепла. І немає підстав вважати, що матеріальні предмети, які потрапили в дірку, лише замкнені в ній, але продовжують існувати, бо, випромінюючи, діра стискається і, згідно з розрахунками Гокінга, зрештою неминуче зникає.
Цю проблему називають інформаційним парадоксом, так як чорна діра з'їдає ту інформацію про поглинені нею частинки, за допомогою якої ви могли б звернути їх рух назад. Якщо фізика чорних дір дійсно допускає зворотність будь-якого процесу, то щось має нести інформацію з цих дірок, і, щоб так воно і було, можливо, нашу концепцію простору-часу слід змінити.
Атоми простору-часу
Тепло - це хаотичний рух мікроскопічних частинок, таких як молекули газу. Оскільки чорні діри можуть нагріватися і остигати, розумно припускати, що вони включають в себе частинки - загалом, мають мікроскопічну структуру. А оскільки чорна діра - це всього-на-всього порожній простір (згідно загальної теорії відносності, матерія, що поглинається, проходить через горизонт подій, але не може не зникнути), її частинки повинні бути частинками самого простору. Чорна діра, проста настільки, наскільки може бути простим простір порожнього простору, приховує в собі безмежну складність.
Навіть теорії, які проголошують свою прихильність до звичайного розуміння простору-часу, зрештою доходять висновку, що за цим безликим фасадом щось ховається. Наприклад, наприкінці 1970-х років Стівен Вайнберг (Steven Weinberg), який нині працює в Техаському університеті в Остіні (University of Texas at Austin), прагнув дати опис гравітації, схожий на опис інших сил природи. Однак і він змушений був відзначити, що простір-час, якщо брати його в тому масштабі, в якому він проявляє себе максимально яскраво, виглядає вельми і вельми незвично.
Спочатку фізики зображали мікроскопічний простір у вигляді мозаїки, складеної з маленьких шматків. Вважалося, що поглянувши на нього в масштабі Планка, тобто маючи справу з запаморочливо малою одиницею довжини, що становить 10 − 35 метрів, ми побачимо щось на зразок шахової дошки. Однак, насправді, картина простору буде дещо іншою. І насамперед слід зазначити, що в сітці цієї шахової дошки різні напрямки нерівноцінні, в результаті чого мають місце асиметрії, що суперечать спеціальній теорії відносності. Наприклад, швидкість світла може залежати від його кольору - точнісінько як у скляній призмі, що розщеплює світло на кольори веселки. І ці порушення відносності будуть кидатися в очі, хоча зазвичай, маючи справу з малими масштабами, важко спостерігати будь-які ефекти.
Крім того, термодинаміка чорних дір змушує засумніватися в тому, що простір являє собою просту мозаїку. Вимірюючи теплову поведінку будь-якої системи, ви можете більш-менш точно розрахувати число частин, що входять до неї. Вкиньте в систему енергію і подивіться на термометр. Якщо температура злетіла, вкинуту енергію отримала порівняно невелика кількість молекул. По суті, те, що ви вимірюєте, - це ентропія. Вона характеризує мікроскопічну складність системи.
Якщо ви маєте справу зі звичайною матерією, зі збільшенням обсягу, що вивчається, зростає кількість молекул. Тут все закономірно: збільште радіус пляжного м'яча в 10 разів - і всередині нього виявиться в 1000 разів більше молекул. Однак, збільшивши в 10 разів радіус чорної діри, ви отримаєте всього лише стократне збільшення числа її «молекул». Кількість частинок, з яких складається діра, пропорційно площі її поверхні, а не її обсягу. Чорна діра виглядає тривимірною, а поводиться, як двомірна.
Цей дивний ефект називають голографічним принципом, тому що він асоціюється з голограмою. Дивлячись на голограму, ми бачимо тривимірний об'єкт, хоча, насправді, перед нами двомірний лист плівки. Якщо голографічний принцип враховує мікроскопічні частинки простору і його зміст, - а з цим згодні багато фізиків-теоретиків, - то для створення простору мало простого об'єднання маленьких шматочків.
У всякому разі, ставлення частини до цілого рідко буває простим. Молекула H2O - це не просто частинка води. Згадаймо відомі нам властивості цієї рідини: вона тече, утворює краплі, ряб і хвилі, замерзає і кипить. Окрема молекула H2O нічого такого не робить: молекул має бути багато. Аналогічно, цеглинки простору можуть не бути просторовими. "Атоми простору не є найдрібнішими частинками простору, - говорить Даніеле Оріті (Daniele Oriti) з Інституту гравітаційної фізики Товариства Макса Планка (нім. Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) в Потсдамі, Німеччина. - Вони лише те, з чого утворюється простір. Геометричні властивості простору - нові, колективні, більш-менш точні властивості системи, що складається з багатьох таких атомів ".
Що саме являють собою ці цеглинки, залежить від теорії. У теорії петлевої квантової гравітації це - кванти обсягу, що взаємодіють на основі квантових принципів. У теорії струн це - споріднені електромагнітним поля, що живуть у площині, що утворюється рушійною струною - ниткою або петлею енергії. У М-теорії, яку можна розглядати як фундамент теорії струн, це - особливий тип частинок: мембрана, стиснута в точку. У теорії причиннісної безлічі (causal sets theory) це - події, пов'язані мережею причини і слідства. У теорії амплітуедра і деяких інших теоретичних схемах ніяких цеглинок, що утворюють простір, немає взагалі - принаймні, в тому сенсі, в якому їх зазвичай розуміють.
У всіх цих теоріях, незважаючи на різні принципи їх побудови, використовується так званий «реляціонізм» німецького філософа XVII - XVIII століть Готфріда Лейбніца. З точки зору реляціонізму, простір виникає з певної структури кореляцій між об'єктами. Виходить, воно - своєрідний пазл. Ви починаєте з великої купи шматочків, дивіться, які між ними зв'язки, і відповідно складаєте з цих шматочків якусь картину. Якщо два шматочки мають щось подібне, наприклад колір, їх, мабуть, слід розмістити поруч; якщо ж вони сильно відрізняються один від одного, ви постараєтеся розмістити їх так, щоб між ними була велика відстань. Висловлюючись мовою фізики, це - мережа з певною структурою зв'язності. Відносини тут задаються законами квантової теорії або іншими принципами, і на цій основі утворюється простір.
Ще одна загальна для різних теорій тема - фазові переходи. Простір, який складається з цеглинок, можна і розібрати. Потім з його цеглинок можна створити щось, зовсім несхоже на простір. «Подібно до того, як речовина має різні фазові стани, такі як лід, вода і водяний пар, у атомів простору, завдяки їх здатності переналаштовуватися, теж є різні фази», - стверджує Тхану Падманабхан (Thanu Padmanabhan) з Міжуніверситетського центру астрономії і астрофізики (Inter-University Center for Astaomry. З цієї точки зору, чорні діри можуть бути місцями зникнення простору в ході фазового переходу. Звичні теорії руйнуються, і потрібна більш фундаментальна теорія для опису нового фазового стану атомів простору. Фізика продовжує працювати навіть там, де зникає простір.
Заплутані мережі
Великий інтелектуальний прогрес останніх років, що зруйнував старі межі фізичних теорій, полягає в усвідомленні того, що вивчаються фізикою відносини можуть бути пов'язані з квантовою заплутаністю. Будучи надпотужним типом кореляції, який досліджується в рамках квантової механіки, заплутаність, мабуть, первинніший простору. Наприклад, експериментатор може зробити так, щоб дві частинки полетіли в протилежних напрямках. Якщо ці частинки заплутані, то, яким би величезним не був розділювальний їх простір, між ними збережеться координація.
Зазвичай у розмовах про «квантову» гравітацію обговорювали квантову дискретність, квантові флуктуації, купу інших квантових ефектів, але тільки не квантову заплутаність. Ситуація змінилася, коли в ці розмови втрутилися чорні діри. Поки існує чорна діра, в неї потрапляють заплутані частинки. Їхні партнери, не поглинені дірою, з її зникненням залишаються заплутаними... ні з чим. «Хокінг назвав би це проблемою заплутаності», - говорить Самір Матур (Samir Mathur) з Університету штату Огайо (The Ohio State University).
Навіть у вакуумі, за відсутності частинок, електромагнітні та інші поля демонструють внутрішню заплутаність. Вимірюючи поле у двох різних місцях, ви побачите, що показання вашого приладу коливаються випадковим, але скоординованим чином. І якщо ви розділите якусь область на дві частини, ці частини будуть корелювати один з одним зі ступенем кореляції, що залежить від єдиної загальної для них геометричної величини - площі їх контакту. У 1995 році Джекобсон заявив, що заплутаність забезпечує зв'язок між наявністю речовини і геометрією простору-часу, а значить, може пояснити закон гравітації. «Чим більше заплутаності, тим слабша гравітація, тобто жорсткий простір-час», - стверджує він.
В даний час цілий ряд концепцій квантової гравітації - і, перш за все, теорія струн - відводить заплутаності вирішальну роль. Теорія струн застосовує голографічний принцип не тільки до чорних дір, а й до всього Всесвіту. При цьому вийшов рецепт створення простору - принаймні, деяких його видів. Наприклад, структуровані в особливий спосіб поля, пронизуючи двомірний простір, генерують додатковий вимір. З появою третього виміру вихідний двомірний простір перетворюється на межу більш розкішного царства, відомого як об'ємний простір. І те, що об'єднує об'ємний простір в суміжне ціле, це - заплутаність.
Для обґрунтування даної гіпотези Марк ван Раамсдонк (Mark Van Raamsdonk) з Університету Британської Колумбії (University of British Columbia) в 2009 році провів елегантний доказ. Припустимо, що поля на кордоні не заплутані. Утворюючи пару некорелюючих систем, вони відповідають двом автономним всесвітам. Подорожувати з однієї в іншу неможливо. Коли системи заплутуються, між автономними всесвітами виникає щось схоже на тунель або лаз, завдяки чому космічний корабель отримує можливість пролетіти з одного всесвіту в інший. З посиленням заплутаності тунель все коротше і коротше, всесвіти все ближче і ближче один до одного, і, нарешті, їх зближення досягає такої фази, на якій говорити про них як про два всесвіти вже безглуздо. «Поява великого простору-часу безпосередньо пов'язана із заплутуванням ступенів свободи, наявних біля полів», - вважає ван Раамсдонк. Спостерігаються нами кореляції в електромагнітних та інших полях є залишком заплутаності, що забезпечує єдність простору.
Мабуть, заплутаність визначає не тільки суміжність простору, а й багато інших його властивостей. Ван Раамсдонк і Брайан Свінгл (Brian Swingle), який нині працює в Мерілендському університеті в Коледж-Парку, пояснюють універсальний характер гравітації - те, що вона зачіпає всі об'єкти і не піддається екрануванню, - всюдисущністю заплутаності. Що стосується чорних дір, то Леонард Сасскінд (Leonard Susskind) зі Стенфордського університету (Stanford University) і Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) з Інституту перспективних досліджень (Institute for Advanced Study) в Прінстоні, штат Нью-Джерсі, що Запі, вважають, що запанність, вважають, і Можливо, це допоможе фізиці чорних дір вирішити проблему збереження інформації і зворотності.
Ці ідеї теорії струн працюють тільки в рамках конкретних геометрій і реконструюють тільки один вимір простору. Деякі дослідники намагалися пояснити, як весь простір може виникнути з чистого аркуша. Наприклад, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спірідон Міхалакіс (Spyridon Michalakis) і Шон М. Керролл, всі з Каліфорнійського технологічного інституту (California Institute of Technology), починають з мінімалістського квантового опису системи, введеної без прямого часу на навіть простору на простір. Якщо система має правильну структуру кореляцій, її можна розщепити на складові частини, які можуть бути ідентифіковані як різні області простору-часу. У цій моделі ступінь заплутаності визначає поняття просторової відстані.
Не тільки у фізиці, а й в інших природничих науках простір і час - основа всіх теорій. Однак ми не можемо спостерігати простір-час безпосередньо. Ми виводимо його існування з нашого повсякденного досвіду. Ми припускаємо, що якийсь механізм, що діє в просторі-часі, - це найбільш економічне пояснення спостережуваних нами явищ. Але головний урок, який слід винести з теорії квантової гравітації, полягає в наступному: не всі явища акуратно вписуються в простір-час. Фізикам потрібно знайти якийсь новий фундамент, і, знайшовши його, вони зможуть завершити революцію, розпочату трохи більше століття тому Альбертом Ейнштейном.
