Помоги проекту - поделись книгой:
Например, представьте, что вам подарили космический корабль из далёкого будущего, который может летать с огромной скоростью. На носу корабля устанавливается лазерная пушка, способная стрелять вперед фотонами.
Относительно корабля такие частицы летят со скоростью света, однако относительно неподвижного наблюдателя они, казались бы, должны лететь быстрее, т. к. обе скорости суммируются.
Однако на самом деле этого не происходит!
Сторонний наблюдатель видит фотоны, летящие 300 000 м/с, как будто скорость космического корабля к ним не добавлялась.
Нужно запомнить, что относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, как бы быстро оно не двигалось.
Из этого следуют потрясающие воображение выводы вроде замедления времени, продольном сокращении и зависимости массы тела от скорости. Подробнее об интереснейших следствиях Специальной теории относительности.
Суть общей теории относительности (ОТО)
Чтобы лучше ее понять, нам нужно вновь объединить два факта:
Пространства и время — это проявления одной и той же сущности под названием «пространственно-временной континуум». Это и есть 4-мерное пространство-время с осями координат x, y, z и t.
Мы, люди, не в состоянии воспринимать 4 измерения одинаково. По сути, мы видим только проекции настоящего четырехмерного объекта на пространстве и время.
Когда Эйнштейн упомянул о своем желании решить проблему гравитации, ему было сказано две вещи: первое, — что это просто невозможно сделать, а второе заключается в том, что никто не поверит ему, даже если бы ему удалось сделать это. В ответ он создал свое величайшее творение —
Общая теория относительности сделала для гравитации то, что даже Ньютон не смог сделать, — дала ей объяснение, показала закономерность, благодаря которой вещи падают, вращаются на орбите и искажают время. Фактически, создание общей теории относительности связано с противостоянием с Ньютоном и его представлениями о гравитации, которая им описывалась как таинственна сила, сближающая объекты. Хотя по правде говоря, даже сам Ньютон не понимал, как это работает, поскольку сила притяжении действует через пустое пространство, и горько критиковал свою собственную теорию гравитации.
Тем не менее, несмотря на вопросы, которые остались без ответа, формулы Ньютона для гравитации все еще использовались в течении десятилетий, как основа универсальных законов физики, чтобы точно предсказывать движение планет и даже отправить людей на Луну. Чтобы понять общую теорию относительности, нам нужно кратко взглянуть на ньютоновскую
Ньютоновская гравитация была сформулирована главным образом для объяснения двух вещей. Первым был вопрос о том, почему объекты разного веса, при отсутствии сопротивления воздуха, падают на землю одновременно. Обратите внимание на слово «падают» а не «брошены». Бросание объектов добавляет дополнительную энергию, которую объект не имел бы, если бы он был просто уронен. Например, если бы не сопротивление воздуха, перо и свинцовый шар при падении приземлились бы одновременно. Два камня разных размеров и веса также будут приземляться на землю одновременно.
Другой вопрос, который Ньютон попытался решить, проблема ньютоновской гравитации заключается в ее действии на расстоянии. Силы зависят от массы объектов и от расстоянии между ними. Проблема с этим в том, что сила не имеет носителя, она действует в пустом пространстве. Также проблема в том, что она нарушает «ограничение скорости» Вселенной: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Если объект изменил свое положение во Вселенной, силы притяжении, с которой он действует на другие объекты, мгновенно изменились бы, нарушив это ограничение скорости.
В попытке решить проблему гравитации Эйнштейн впервые придумал Специальную теорию относительности, которая учитывала только объекты, движущиеся по прямой и с постоянной скоростью. Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин
В начале 1900-х Эйнштейн провел мысленный эксперимент. Он смотрел в окно и представлял себе человека, падающего с крыши. Когда человек падал, он чувствовал себя невесомым. Но что если бы этот человек был в падающем лифте? Лифт будет двигаться с той же скоростью, что и человек, который также почувствует себя невесомым.
Именно тогда Эйнштейн понял, что происходит. Вопреки теории Ньютона, не было никакой гравитационной силы, тянущей объекты вниз. Вместо этого пространство вокруг них было изогнуто, подталкивая оба объекта к земле. Оно толкало, а не притягивало, как это считалось в теории притяжения Ньютона. Последствия этого открытия были удивительными. Это означало, что пространство является гибким, его можно складывать и изгибать. Эйнштейн объединил пространство и время в так называемый
В то время как естественное движение вещей состоит в том, чтобы следовать простейшему пути через пространство-время, масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы. Это и есть сила, которую мы называем гравитацией.
Как это описывает орбиты планет и их лун? Ньютоновская гравитация говорит, что Солнце притягивает нас к себе, но мы не падаем на него, потому что Земля также одновременно движется в сторону по эллиптической орбите. Но согласно общей теории относительности, огромная масса Солнца искажает пространство вокруг себя, и это изогнутое пространство толкает Землю к Солнцу.
Ни одно из этих изображений не является точным относительно того, как на самом деле выглядит кривизна пространства-времени — три измерения пространства, обернутые вокруг четвертого измерения (времени), — но наши умы не способны представить, как это будет выглядеть на самом деле. Поскольку мы живем в трех измерениях, мы можем представить себе только трехмерные ситуации.
Откуда мы знаем, что общая теория относительности работоспособна? Доказательства этого есть во всей Вселенной. Теория не только объясняет нейтронные звезды и аномалии орбиты Меркурия, но и правильно предсказывает черные дыры и способность гравитации сгибать свет. Звездный свет, например, искривляется, когда проходит вблизи Солнца. Еще один интересный момент со светом заключается в том, что когда он отклоняется вокруг более компактных объектов, это приводит к нескольким изображениям этого объекта. Это обычно наблюдаемое явление называется гравитационным линзированием и помогает подтвердить общую относительность.
Знаете ли вы, что время также может быть искажено? Время замедляется ближе к объектам очень большой массы. Например, для тех, кто живет в высоком небоскребе, время течет быстрее, чем для находящихся на земле. Но, эта разница очень мала, разумеется.
Теория относительности также предсказывает, что в момент зарождения нашей Вселенной она была очень горячей и плотной, что в конечном итоге привело к Большому взрыву. С тех пор мы обнаружили, что наша Вселенная расширяется гораздо быстрее, чем предсказывал Эйнштейн.
Как выразился физик-теоретик Джон Уилер
Что касается опыта с двумя падающими объектами разной массы, теория относительности говорит, что они упали на пол одновременно, потому что на них не действует сила.
Применений общей теории относительности гораздо больше. Это был один из величайших даров Эйнштейна миру, и он продолжает проходить тестирование. Но это действительно рисует довольно странную картину Вселенной — ту, где червоточины могут существовать, и параллельные линии могут в конечном итоге расходиться. Мы до сих пор всё еще обсуждаем эту теорию. Мы продолжаем использовать слово «гравитация», и мы продолжаем думать с точки зрения ньютоновской гравитации, потому что это более понятно для нашего ума, чем изогнутое пространство-время.
Активное изучение законов электромагнетизма началось в XIX веке, хотя и до этого ученые интересовались такими загадочными явлениями, как электричество и магнетизм. Еще в 1790-е годы естествоиспытатель из Франции Шарль Огюстен Кулон открыл закон электростатической силы и изложил его в виде формулы. Современная формулировка закона Кулона выглядит так: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы.
Приблизительно в это же время итальянец Алессандро Вольта изобрел химическую батарею. Она представляла собой банку с кислотой, в которую были опущены две пластинки, одна из меди, вторая из цинка. Ученый соединил их проволокой, после чего пластина из цинка начала растворяться, а на медной появились газовые пузырьки. Вольта доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Позже он усовершенствовал свое изобретение, придав ему форму цилиндра. Эта химическая батарея получила название вольтова столба.
В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед сделал очередное впечатляющее открытие, связанное с электричеством: он обнаружил, что ток, пропускаемый через провод, воздействует на стрелку компаса, заставляя ее отклоняться. До этого считалось, что на компас могут воздействовать только магниты. Дальше за дело взялся другой естествоиспытатель,
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
ГЛАВА 4
Слово «квант» происходит от латинского
Квантовая механика часто противоречит нашим понятиям о здравом смысле. А всё потому, что здравый смысл подсказывает нам вещи, которые берутся из повседневного опыта, а в своем повседневном опыте нам приходится иметь дело только с крупными объектами и явлениями макромира, а на атомарном и субатомном уровне материальные частицы ведут себя совсем иначе. Принцип неопределенности Гейзенберга как раз и очерчивает смысл этих различий. В макромире мы можем достоверно и однозначно определить местонахождение (пространственные координаты) любого объекта (например, этой книги). Не важно, используем ли мы линейку, радар, сонар, фотометрию или любой другой метод измерения, результаты замеров будут объективными и не зависящими от положения книги (конечно, при условии вашей аккуратности в процессе замера). То есть некоторая неопределенность и неточность возможны — но лишь в силу ограниченных возможностей измерительных приборов и погрешностей наблюдения. Чтобы получить более точные и достоверные результаты, нам достаточно взять более точный измерительный прибор и постараться воспользоваться им без ошибок.
Теперь если вместо координат книги нам нужно измерить координаты микрочастицы, например электрона, то мы уже не можем пренебречь взаимодействиями между измерительным прибором и объектом измерения. Сила воздействия линейки или другого измерительного прибора на книгу пренебрежимо мала и не сказывается на результатах измерений, но чтобы измерить пространственные координаты электрона, нам нужно запустить в его направлении фотон, другой электрон или другую элементарную частицу сопоставимых с измеряемым электроном энергий и замерить ее отклонение. Но при этом сам электрон, являющийся объектом измерения, в результате взаимодействия с этой частицей изменит свое положение в пространстве. Таким образом, сам акт замера приводит к изменению положения измеряемого объекта, и неточность измерения обусловливается самим фактом проведения измерения, а не степенью точности используемого измерительного прибора. Вот с какой ситуацией мы вынуждены мириться в микромире. Измерение невозможно без взаимодействия, а взаимодействие — без воздействия на измеряемый объект и, как следствие, искажения результатов измерения.
О результатах этого взаимодействия можно утверждать лишь одно:
неопределенность пространственных координат × неопределенность скорости частицы >
или, говоря математическим языком:
Δ
где Δ
Соответственно, неопределенность возникает при определении пространственных координат не только электрона, но и любой субатомной частицы, да и не только координат, но и других свойств частиц — таких как скорость. Аналогичным образом определяется и погрешность измерения любой такой пары взаимно увязанных характеристик частиц (пример другой пары — энергия, излучаемая электроном, и отрезок времени, за который она испускается). То есть если нам, например, удалось с высокой точностью измерить пространственное положение электрона, значит мы
Из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой
Картина квантовых событий в микромире, рисуемая уравнением Шрёдингера, такова, что частицы уподобляются отдельным приливным волнам, распространяющимся по поверхности океана-пространства. Со временем гребень волны (соответствующий пику вероятности нахождения частицы, например электрона, в пространстве) перемещается в пространстве в соответствии с волновой функцией, являющейся решением этого дифференциального уравнения. Соответственно, то, что нам традиционно представляется частицей, на квантовом уровне проявляет ряд характеристик, свойственных волнам.
Согласование волновых и корпускулярных свойств объектов микромира стало возможным после того, как физики условились считать объекты квантового мира не частицами и не волнами, а чем-то промежуточным и обладающим как волновыми, так и корпускулярными свойствами; в ньютоновской механике аналогов таким объектам нет. Хотя и при таком решении парадоксов в квантовой механике всё равно хватает, лучшей модели для описания процессов, происходящих в микромире, никто до сих пор не предложил.
Квантовая механика родилась как необходимость, чтобы объяснить результаты некоторых опытов, которые не могла объяснить классическая теория.
Первое. Возникли трудности с опытом Юнга. Не понятно было, как одна и та же частица может пролезать через две разные щели одновременно. Родился корпускулярно-волновой дуализм, который никому невозможно представить. Все должны просто в это верить и запомнить это. Других опытов, подтверждающих этот дуализм, пока не наблюдается.
Второй казус возник с планетарной моделью атома Резерфорда. Когда он представил свою модель, то мудрецы сразу же выдвинули теорию: электрон, вращается с большой скоростью вокруг ядра в результате чего должен излучать энергию и в конце концов упасть на ядро. А этот электрон никуда не падал и никуда не улетал. Но то ли эти мудрецы забыли или и не знали об опытах Кауфмана и наличие у ядра магнитного поля (может быть тогда об этом никто не знал) так как не учли все это в своих рассуждениях.
Пришлось Бору постулировать: у атома есть такие уровни (орбиты), где электрон летает и ничего не излучает. Все остолбенели и перестали искать силы, которые не позволяют электрону упасть на ядро, а про силы, удерживающие электрон в составе атома, даже и не думали, да и сейчас ученые и не подозревают, что такие силы существуют в виде обменного фотона.
Если вы думаете, что некоторые вещи из мира науки вас не касаются, вы глубоко ошибаетесь. Даже то, что кажется очень далеким в некотором роде влияет на вашу жизнь. Это относится и к квантовой механике. Она тоже часть нашего мира.
14 декабря 1900 года в мире физике родилась принципиально новая теория, впоследствии выросшая в невероятную для простого обывателя и не менее странную для физиков квантовую механику.
В начале 20 века поняли, что в атоме есть ядро и электрон. И попытались определить свойство электрона, в том числе и его поведение в различных условиях.
Оказалось, что электрон очень хитрая штука, и чтобы описать его поведение (вообще, механика изучает движение тел, но назвать поведение электрона «движением», как-то не могу, все таки это нечто другое, а не движение в общепринятом смысле) нужна особая наука, ее и назвали квантовая механика. С тех пор, более менее изучили взаимодействие с остальным миром только электронов, причем лучше всего в атоме водорода, где он один.
Сейчас, конечно, квантовая механика пытается описывать поведение всех частиц внутри атома, но по сравнению с электроном, с которым еще далеко не все понятно, со всем остальным, вообще беда! Так что, можно пока еще понимать квантовую механику, как науку о «движении» электронов внутри атома.
А что даст полное понимание квантовой механики…да кто ж это скажет, пока еще не поняли?! Кто бы мог сказать в 19 веке, к чему приведет частичное понимание строения атома? А в 20 веке, еще ничего до конца не поняв, смогли делать атомные реакторы и ядерные и термоядерные бомбы.
Понятно, что квантовая механика рано или поздно приведет к новым источникам энергии, все-таки распад Урана и Плутония, и даже синтез водорода освобождает только малую часть энергии скрытую в атоме.
Наш мир устроен невероятно сложно. Если посмотреть в телескоп, то перед нами откроется целая Вселенная, бесконечная и расширяющаяся все быстрее и быстрее. От одной мысли о том, что в одной лишь наблюдаемой Вселенной существует около 10 триллионов галактик, может закружится голова. Это невероятно!
Как и многочисленные предположения о существовании Мультивселенной и параллельных реальностей. К слову сказать, современная физика изобилует подобными идеями, но мы с вами остановимся на одной из, по моему скромному мнению, самых интересных из них — многомировой интерпретации квантовой механике или интерпретации Эверетта. В 1954 году, будучи аспирантом Принстонского университета, физик Хью Эверетт пришел к революционной интерпретации нерелятивистской квантовой механике, которую полностью развил за два последующий года.
Однако она не включала ускорения, и Эйнштейн стремился создать теорию, которая могла бы применяться более широко. Так родился термин —
ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ
ГЛАВА 5
С точки зрения физики, исследуя ничтожно малое пространство, мы увидим, что оно состоит из квантов.
Люди, как правило, воспринимают пространство как нечто само собой разумеющееся. Ну, в самом деле: это просто-напросто пустота, фон для всего остального. Время тоже простая штука: беспрестанно тикает и тикает. Однако, если физики, долгие годы бившиеся над объединением их фундаментальных теорий, и сумели извлечь из этого хоть что-то полезное, так это то, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными.
Альберт Эйнштейн увидел этот назревавший результат уже в ноябре 1916 года. Годом ранее он сформулировал общую теорию относительности, согласно которой гравитация является не силой, действующей в пространстве, а свойством самого пространства-времени. Шар, брошенный высоко вверх, по дуге возвращается к земле, потому что Земля так искажает окружающее его пространство-время, что пути шара и земли снова пересекаются. В письме к другу Эйнштейн размышлял о проблеме объединения общей теории относительности и его другого детища — зарождавшейся квантовой механики. Получалось, что, если объединение состоится, разговорами о том, что пространство искажается, ограничиться не удастся: придётся вести речь о его демонтаже. Обдумывая математические расчёты, он плохо понимал, с чего следует начать. «Как же я измучил себя на этом пути!» — написал он.
Продвинуться далеко Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. В горячих спорах упускают из виду важную истину: все конкурирующие версии говорят о том, что пространство происходит от чего-то более глубокого. Эта идея идёт вразрез с 2500-летним опытом научного и философского осмысления пространства.
Проблему, стоящую перед физиками, прекрасно иллюстрирует обычный магнит. Он легко поднимает с пола скрепку, несмотря на гравитацию целой планеты Земля. Гравитация слабее магнетизма, электрических и ядерных связей. Какими бы ни были квантовые эффекты, они чрезвычайно слабы. Единственное осязаемое свидетельство того, что они всё же существуют, — это пёстрый узор ранней Вселенной, который, как полагают, не мог появиться без участия квантовых флуктуаций гравитационного поля.
Лучше всего исследовать квантовую гравитацию с помощью чёрных дыр. «Они самые подходящие объекты для проведения экспериментов», — говорит Тед Джекобсон из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (University of Maryland, College Park). Он и другие теоретики изучают чёрные дыры как теоретические точки опоры. Что произойдёт, если взять уравнения, которые отлично работают в ходе лабораторных исследований, и применить их для чёрной дыры — самого экстремального объекта? Проявится ли какой-нибудь тонкий изъян?
Согласно общей теории относительности, стоит какому-то материальному предмету попасть в центр чёрной дыры — и он окажется бесконечно сжатым. Это математический тупик, называемый сингулярностью. Теоретики не могут экстраполировать траекторию попавшего в чёрную дыру предмета за пределы сингулярности; там пресекается не только траектория, но и линия времени. Даже говорить про «там» проблематично, ибо само пространство-время, определяющее местоположение сингулярности, перестаёт существовать. Исследователи надеются, что квантовой теории удастся выступить в роли микроскопа, дающего возможность разглядеть, что происходит с материальным предметом, попадающим в сингулярность.
На подступах к чёрной дыре материя не настолько сжата и гравитация не настолько сильна, чтобы не работали известные нам законы физики. Однако они, как это ни странно, не работают. Границей чёрной дыры является горизонт событий, рубеж невозврата: материя, которая сюда попадает, вернуться не может. Спуск в дыру необратим, и это — физическая проблема, ибо все известные ныне законы фундаментальной физики, в том числе квантовой механики в её обычной интерпретации, обратимы. У вас должна быть, по крайней мере, принципиальная возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.
Очень похожая проблема встала перед физиками в конце 1800-х годов, когда они исследовали математику «чёрного тела», идеализированная модель которого представляет собой полость, заполненную электромагнитным излучением. Согласно теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, такой объект должен поглощать всё падающее на него излучение и никогда не сможет прийти к равновесию с окружающей средой. «Он поглощает бесконечное количество тепла из резервуара, температура которого остаётся постоянной», — объясняет Рафаэль Соркин из института теоретической физики «Периметр» (Perimeter Institute for Theoretical Physics) в Онтарио. Говоря на языке термодинамики, температура этого объекта фактически равна абсолютному нулю. Данный вывод противоречит результатам наблюдения за реальными чёрными телами. Опираясь на исследования Макса Планка, Эйнштейн показал, что чёрное тело может достичь теплового равновесия, если излучаемую энергию получают дискретные единицы, или кванты.
Над проблемой равновесия чёрных дыр физики-теоретики бьются уже почти полвека. В середине 1970-х годов недавно почивший Стивен Хокинг из Кембриджского университета (University of Cambridge) сделал огромный шаг вперёд: изучая с помощью квантовой теории поле излучения вокруг чёрных дыр, он показал, что температура этих объектов не является нулевой. В таком случае, они не только поглощают, но и излучают энергию. Хотя благодаря Хокингу чёрные дыры прописались в термодинамике, проблема необратимости усугубилась. Излучение чёрной дыры не несёт никакой информации о том, что у неё внутри. Это случайная тепловая энергия. Если, запустив данный процесс в обратном порядке, вы вернёте дыре её энергию, то поглощённая ею материя не выскочит назад; вы просто получите больше тепла. И нет оснований считать, будто попавшие в дыру материальные предметы всего лишь заперты в ней, но продолжают существовать, ибо, излучая, дыра сжимается и, согласно расчётам Хокинга, в конце концов неминуемо исчезает.
Эту проблему называют информационным парадоксом, так как чёрная дыра съедает ту информацию о поглощённых ею частицах, с помощью которой вы могли бы обратить их движение вспять. Если физика чёрных дыр действительно допускает обратимость любого процесса, то что-то должно нести информацию из этих дыр, и, чтобы так оно и было, возможно, нашу концепцию пространства-времени следует изменить.
Тепло — это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы — в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра — это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.
Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.
Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10−35 метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета — точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.
Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, — это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.
Если вы имеете дело с обычной материей, с увеличением изучаемого объёма растёт число молекул. Тут всё закономерно: увеличьте радиус пляжного мяча в 10 раз — и внутри него окажется в 1000 раз больше молекул. Однако, увеличив в 10 раз радиус чёрной дыры, вы получите всего лишь стократное увеличение числа её «молекул». Количество частиц, из которых состоит дыра, пропорционально площади её поверхности, а не её объёму. Чёрная дыра выглядит трёхмерной, а ведёт себя, как двухмерная.
Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, — а с этим согласны многие физики-теоретики, — то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.
Во всяком случае, отношение части к целому редко бывает простым. Молекула H2O — это не просто частица воды. Вспомним известные нам свойства данной жидкости: она течёт, образует капли, рябь и волны, замерзает и кипит. Отдельная молекула H2O ничего такого не делает: молекул должно быть много. Аналогично, кирпичики пространства могут не быть пространственными. «Атомы пространства не являются мельчайшими частицами пространства, — говорит Даниэле Орити из института гравитационной физики Общества Макса Планка (
Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это — кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это — родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной — нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это — особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это — события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще — по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.
Во всех этих теориях, несмотря на разные принципы их построения, используется так называемый «реляционизм» немецкого философа XVII–XVIII веков Готфрида Лейбница. С точки зрения реляционизма, пространство возникает из определённой структуры корреляций между объектами. Выходит, оно — своеобразный пазл. Вы начинаете с большой кучи кусочков, смотреть, какие между ними связи, и соответственно складываете из этих кусочков какую-то картину. Если два кусочка имеют что-то схожее, например цвет, их, по-видимому, следует разместить рядом; если же они сильно отличаются друг от друга, вы постараетесь разместить их так, чтобы между ними было большое расстояние. Выражаясь языком физики, это — сеть с определённой структурой связности. Отношения здесь задаются законами квантовой теории или другими принципами, и на этой основе образуется пространство.
Ещё одна общая для разных теорий тема — фазовые переходы. Пространство, которое складывается из кирпичиков, можно и разобрать. Затем из его кирпичиков можно создать нечто, совсем непохожее на пространство. «Подобно тому, как вещество имеет разные фазовые состояния, такие как лёд, вода и водяной пар, у атомов пространства, благодаря их способности перенастраиваться, тоже есть разные фазы», — утверждает Тхану Падманабхан из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики (Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics) в Индии. С этой точки зрения, чёрные дыры могут быть местами исчезновения пространства в ходе фазового перехода. Привычные теории рушатся, и нужна более фундаментальная теория для описания нового фазового состояния атомов пространства. Физика продолжает работать даже там, где исчезает пространство.
Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противополож-
ных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.
Обычно в разговорах о «квантовой» гравитации обсуждали квантовую дискретность, квантовые флуктуации, кучу других квантовых эффектов, но только не квантовую запутанность. Ситуация изменилась, когда в эти разговоры вмешались чёрные дыры. Пока существует чёрная дыра, в неё попадают запутанные частицы. Их партнёры, не поглощённые дырой, с её исчезновением остаются запутанными… ни с чем. «Хокинг назвал бы это проблемой запутанности», — говорит Самир Матур из университета штата Огайо (The Ohio State University).
Даже в вакууме, при отсутствии частиц, электромагнитные и другие поля демонстрируют внутреннюю запутанность. Измеряя поле в двух разных местах, вы увидите, что показания вашего прибора колеблются случайным, но скоординированным образом. И если вы разделите какую-то область на две части, эти части будут коррелировать друг с другом со степенью корреляции, зависящей от единственной общей для них геометрической величины — площади их контакта. В 1995 году Джекобсон заявил, что запутанность обеспечивает связь между наличием вещества и геометрией пространства-времени, а значит, может объяснить закон гравитации. «Чем больше запутанности, тем слабее гравитация, то есть жёстче пространство-время», — утверждает он.
В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации — и, прежде всего, теория струн — отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства — по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это — запутанность.
Для обоснования данной гипотезы Марк ван Раамсдонк из университета Британской Колумбии (University of British Columbia) в 2009 году провёл элегантное доказательство. Предположим, что поля на границе не запутаны. Образуя пару некоррелирующих систем, они соответствуют двум автономным Вселенным. Путешествовать из одной в другую невозможно. Когда системы запутываются, между автономными Вселенными возникает нечто похожее на туннель или лаз, благодаря чему космический корабль получает возможность пролететь из одной Вселенной в другую. С усилением запутанности туннель всё короче и короче, Вселенные всё ближе и ближе друг к другу, и, наконец, их сближение достигает такой фазы, на которой говорить о них как о двух Вселенных уже бессмысленно. «Появление большого пространства-времени напрямую связано с запутыванием степеней свободы, имеющихся у полей», — считает Ван Раамсдонк. Наблюдаемые нами корреляции в электромагнитных и других полях являются остатком запутанности, обеспечивающей единство пространства.
По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл, ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации — то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, — вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена из института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз — чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.
Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао, Спиридон Михалакис и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.
Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время — основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, — это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить
революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.
ВСЕЛЕННАЯ РАСШИРЯЕТСЯ
Поделиться книгой: