Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Квантовая теория поля позволяет успешно объяснить все до одного эксперименты, когда-либо поставленные человеком. Когда заходит вопрос об описании реальности, это лучший подход из всех, что у нас есть. Поэтому очень хочется считать, что все физические теории будущего окажутся вписаны в широкую парадигму квантовой теории поля или, возможно, небольших ее вариаций.

Но гравитация, по крайней мере когда становится сильной, плохо поддается описанию в квантовой теории поля. Поэтому в данной главе мы поговорим о том, можно ли продвинуться в решении этой проблемы, если подступиться к ней с другой стороны.

Вторя Фейнману, физики любят напоминать друг другу, что никто как следует не понимает квантовую механику. Тем временем они также давно жалуются, что никто не понимает квантовую гравитацию. Может быть, два этих непонимания связаны между собой. Гравитация, характеризующая состояние пространства-времени как такового, а не частицы и поля, движущиеся в пространстве-времени, крайне нелегко поддается описанию в квантовых терминах. Пожалуй, это не должно нас удивлять, если мы признаем, что не полностью понимаем саму квантовую механику. Возможно, размышляя об основаниях квантовой теории, – в частности, о многомировой интерпретации, согласно которой в мире фундаментальна только волновая функция, а вся остальная реальность проявляется из нее, – удастся в новом свете увидеть, как искривленное пространство-время формируется на квантовом фундаменте.

Задачу, которую мы перед собой поставили, можно назвать обратным проектированием. Вместо того чтобы брать классическую общую теорию относительности и пытаться квантовать ее, мы попробуем найти место для гравитации в самой квантовой механике. То есть возьмем базовые составляющие квантовой теории – волновые функции, уравнение Шрёдингера, запутанность – и попробуем понять, в каких условиях мы можем получить эмерджентные ветки волновой функции, которые выглядят как квантовые поля, распространяющиеся в искривленном пространстве-времени.

Вплоть до этого момента все, о чем мы говорили в книге, можно было отнести либо к хорошо разобранным и установившимся доктринам (например, основы квантовой механики), либо как минимум к правдоподобным и уважаемым гипотезам (многомировая интерпретация). Теперь мы достигли пределов той теории, которую уверенно понимаем, и отправляемся на неизведанную территорию. Мы обсудим спекулятивные идеи, которые могут оказаться важны для понимания квантового пространства-времени и квантовой космологии. А могут и не оказаться. Только спустя годы, возможно, десятилетия дальнейших исследований, можно будет дать уверенный ответ. Как бы то ни было, считайте, что эти идеи должны натолкнуть вас на дальнейшие размышления. В любом случае воспринимайте эти идеи как побуждение к дальнейшим размышлениям и следите за тем, куда заведет дискуссия в будущем. Однако не забывайте о внутренней неопределенности, которая возникает при борьбе с трудными задачами на самом краю нашего понимания.

⚪ ⚪ ⚪

Альберт Эйнштейн однажды сказал коллеге: «Для занятий квантовой теорией моему мозгу требуется больше смазки, чем для исследования теории относительности». Следует отметить, что именно благодаря теории относительности Эйнштейн стал интеллектуальной суперзвездой.

Теория относительности, как и квантовая механика, – это не конкретная научная теория, а целый аппарат, в рамках которого могут формулироваться различные теории. Все релятивистские[23] теории разделяют общее представление о природе пространства и времени, в котором физический мир описывается в контексте событий, происходящих в едином унифицированном «пространстве-времени». Даже до появления теории относительности в ньютоновской физике можно было рассуждать о пространстве-времени: существует трехмерное пространство и одно измерение времени, и, чтобы локализовать событие, произошедшее во Вселенной, нужно указать, где это событие происходит в пространстве, и время, когда оно произошло. Но до Эйнштейна не было особой мотивации для комбинации пространства-времени в единую четырехмерную концепцию. Когда же появилась идея относительности, это стало естественным шагом.

Существует две крупные идеи, объединенные под названием «теория относительности»: специальная теория относительности и общая теория относительности. Специальная теория относительности была сформулирована в 1905 году и основана на идее о том, что любой, кто измеряет скорость света в вакууме, получит одно и то же значение. Соотнесение этого понимания с позицией, согласно которой не существует абсолютной системы координат для описания движения, напрямую подводит нас к идее о том, что время и пространство «относительны». Пространство-время является универсальным и одинаковым для всех, но когда мы делим его на «пространство» и «время», эти элементы уже будут отличаться для разных наблюдателей.