Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Гравитация – это та часть физики, которая никак не хочет с удобством вписываться в парадигму квантовой теории поля. Часто приходится слышать: «У нас нет квантовой теории гравитации», но это излишне сильное утверждение. У нас есть исключительно хорошая классическая теория гравитации: общая теория относительности Эйнштейна, описывающая кривизну пространства-времени. Общая теория относительности сама по себе является теорией поля, так как описывает поле, заполняющее все пространство, в данном случае – гравитационное поле. Кроме того, мы очень хорошо разобрались, как брать классическую теорию поля и квантовать ее, получая на выходе квантовую теорию поля. Применяем эти процедуры к известным полям фундаментальной физики – и получаем так называемую Основную теорию[20]. Основная теория точно описывает не только физику частиц, но и гравитацию, поскольку сила гравитационного поля возрастает не слишком сильно. Ее достаточно, чтобы описать все без исключения феномены, относящиеся к нашему повседневному опыту, а также многое сверх того – столы и стулья, амеб и котят, планеты и звезды.

Проблема в том, что Основная теория не охватывает многих ситуаций, находящихся за пределами повседневного восприятия, в том числе явления, происходящие в таких местах, где гравитация доходит до экстремальных значений, например черные дыры и момент Большого взрыва. Иными словами, у нас есть теория квантовой гравитации, которая работает, пока гравитация весьма слаба. Эта теория отлично описывает, почему яблоки падают с дерева, а Луна обращается вокруг Земли. Но это ограниченная теория: как только гравитация становится очень сильной или мы пытаемся слишком далеко экстраполировать наши вычисления, этот теоретический аппарат дает сбой. Насколько мы можем судить, такая ситуация характерна только для гравитации. В случае со всеми прочими частицами и силами квантовые теории поля, по-видимому, описывают любые ситуации, какие только можно вообразить.

Когда оказывается, что мы не способны квантовать общую теорию относительности столь же легко, как это получается с любой другой теорией поля, мы можем попробовать несколько стратегий. Во-первых, просто хорошенько подумать: возможно, существует хороший способ напрямую проквантовать общую теорию относительности, но для этого нужны новые приемы, которые не требуются нам при работе с другими теориями поля. Другой подход – представить, что общая теория относительности не подходит для квантования. Может быть, нужно взять за основу-предшественницу другую классическую теорию, например теорию струн, и квантовать уже ее, надеясь, что в результате удастся построить квантовую теорию, которая будет включать и гравитацию, и все остальные взаимодействия. Уже несколько десятилетий физики экспериментируют с этими подходами и достигли некоторых успехов, но по-прежнему остается много нерешенных загадок.

Здесь мы рассмотрим иную стратегию – такую, которая с самого начала исходит из квантовой природы реальности. Каждый физик понимает, что в основе своей мир является квантовым, но на практике физикам не остается ничего иного, как прислушиваться к собственному опыту и интуиции, которые формировались на основе классических принципов. Существуют частицы, существуют поля, у них есть некоторые свойства, и мы можем их наблюдать. Даже при явном переходе к квантовой механике мы обычно берем классическую теорию и приступаем к ее квантованию. Но природа так не делает. Природа изначально является квантовой. Как настаивал Эверетт, классическая физика – это просто приближение, удобное в некоторых обстоятельствах.

Именно здесь мы подходим к моменту, когда начинает оправдываться вся та большая работа, которую мы проделали в предыдущих главах. Многомировая интерпретация отлично подходит для ситуации, когда нужно отбросить всю нашу классическую интуицию и действовать по-квантовому с самого первого шага, определяя, как наблюдаемый нами классический мир (представляющий собой приближение) проявляется из волновой функции Вселенной, пространства-времени и всего на свете.