Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Физики привычно рассуждают о частицах. Почти все, что написано о физике, от учебников до надписей в туалете, связано с частицами. Во многих случаях разговор о частицах по-прежнему имеет смысл. Однако в том языке, на котором говорит сама природа, такого слова нет. Каждый раз, когда вы видите нечто напоминающее частицу, с этим объектом необходимо разбираться более тщательно. Например, наиболее широко используемое описание квантовой теории поля — фейнмановская система контурных рисунков, о которой я говорил в главе 1, — показывает взаимодействие частиц в определенных местах в пространстве и времени. Диаграммы Фейнмана обычно используются для изучения сценариев столкновения двух частиц. Однако описание любого такого сценария требует бесконечного множества диаграмм, хотя вполне можно обойтись «всего лишь» сотнями или миллионами. Отдельно взятая диаграмма не имеет ничего общего с реальным миром — только совокупность множества таких диаграмм имеет смысл. Таким образом, диаграммы — это всего лишь полезный математический аппарат, способ разбивки крупной проблемы на удобоваримые части вроде статистических данных, которые говорят, например, что в средней американской семье 1,9 ребенка и 2,3 автомобиля. Частицы, которые появляются на этих диаграммах, в том числе «виртуальные частицы», нередко фигурирующие в дискуссиях физиков, не более чем умозрительные образы. «Они фактически ничего не могут сказать о реальности», — говорит Халворсон.

Физики-экспериментаторы, со своей стороны, создают детекторы вроде камеры Вильсона, которые, понятное дело, должны обнаруживать частицы. На деле все, что они регистрируют, так это небольшие всплески волновой энергии — мимолетные возмущения, подобные отблескам солнца на неспокойной поверхности водоема. Очень соблазнительно соединить полученные точки и предположить, что это следы частички материи, пролетевшей через прибор. Не поддавайтесь этому соблазну.

Прощайте, поля

Если мир не состоит из частиц, то по умолчанию он должен состоять из полей, так ведь? Максвеллпредставлял электрическое и магнитное поля как совокупность конвейерных лент и вращающихся барабанов — подобно сталепрокатному заводу времен промышленной революции. Мы — дети информационной эпохи и можем сравнивать поля с жидкокристаллическим телевизором или компьютерным дисплеем, т.е. с мозаикой крошечных пикселей. Чтобы развить эту аналогию, нарисуем каждый «пиксель» в виде локальной штучки вроде частицы, но зафиксированной на месте. У него есть признаки, аналогичные яркости и цвету. Он может оказывать силовое воздействие на объекты, реагировать на силы, прикладываемые к нему, и взаимодействовать с ближайшими соседями. Если, например, поместить компас в магнитное поле, ближайшие пиксели захватят стрелку и повернут ее в соответствии с собственным направлением. И наоборот, если взять магнит, то ближайшие пиксели будут реагировать на него, их соседи начнут реагировать на их реакцию, и рябь распространится по экрану. Такая метафора работает хорошо при условии, что вы воображаете экран с бесконечным разрешением, где элементы — это не крошечные квадратики света, а геометрические точки нулевого размера. Они образуют континуум без стыков или зазоров.

Это была грандиозная идея, как ни крути. Однако квантовая теория поля разрушает классическое представление о поле так же безжалостно, как она сметает частицы. Тезкой «полей» в квантовой теории поля является массив не элементов, а операций. Поле может оказывать воздействие, и на него можно воздействовать в конкретных местах. Оно может заставить стрелку компаса повернуться, оно может поглощать энергию, которую вы закачиваете в него. Но что создает эти эффекты? Теория об этом умалчивает. Она страдает все той же неоднозначностью интерпретации, которую мы видели у старой квантовой механики. Квантовая теория поля определяет, что поле делает, но не что оно представляет собой. И чем бы оно ни было, это определенно не может быть скоплением пикселей. Приведенные ранее аргументы против частиц также исключают из картины пиксели, расположенные в каждой точке пространства. Поле не может быть и любой другой разновидностью локальной структуры, поскольку оно обладает нелокальными свойствами. Что поле делает в одной части пространства, зависит от того, что оно делает в других частях. Понятие поля, по словам Халворсона, «похоже, становится своей противоположностью в квантовой теории поля. Вы можете разрезать пространство на блоки, однако эти блоки будут тесно связанными друг с другом. Мы перечеркиваем собственные теоретические достижения».

Запутанность на стероидах