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

Сингулярность — это любое место или событие, в которых физические величины становятся бесконечными, а законы природы сходят с ума. Центр черной дыры — это еще один пример, хотя по другим причинам. В случае, который описывает Пенлеве, одна из звезд могла бы улететь в открытый космос с бесконечной скоростью. Это уже плохо, но еще хуже то, что могло произойти то же самое, только наоборот. В любой момент новая звезда могла бы примчаться из бесконечно удаленного места подобно космическому захватчику, как позже выразился один философ. Если так, то законы физики не могли бы предсказать наверняка, что произойдет с кластером или вообще с чем-либо. Захватчик из космоса мог бы примчаться через всю Вселенную, украсть носки из вашей корзины для белья и вернуться домой прежде, чем вы что-либо поймете. Это гораздо хуже других примеров случайности в физике, потому что в данном случае невозможно даже присвоить вероятности возможным исходам.

Эта кажущаяся нелепость не ограничивается законами Ньютона. Некоторые типы полей также позволяют импульсам распространяться через них с бесконечной скоростью. Всякий раз, когда скорость становится бесконечной, расстояние в пространстве теряет всякое значение и мир превращается в недетерминистский, в нем правит не закон, а прихоть. Все, что физики пытались создать начиная со времен Древней Греции, рухнуло бы. Налагая ограничение на максимальную скорость, теория относительности восстанавливает закон и порядок, не говоря уже о том, что она охраняет вашу корзину для белья. Как сказал Стив Гиддингс, теоретик-ледолаз: «Все, что нелокально, потенциально может оказаться мусором». Относительность подтверждает старую интуитивную догадку о том, что нелокальность сделала бы Вселенную непостижимой.

•

Давайте подведем итог того, как обстояли дела накануне квантовой революции. В Античности философы убеждали себя в том, что объекты взаимодействуют, только сталкиваясь друг с другом. Во времена Ньютона они убеждали себя в том, что взаимодействие путем прямого контакта на самом деле не имело никакого смысла и что объекты должны воздействовать друг на друга на расстоянии. Затем с Майкла Фарадея началось еще одно изменение взглядов, которое достигло кульминации при Эйнштейне, и все решили, что объекты должны взаимодействовать локально. Даже Нильс Бор, который не соглашался с Эйнштейном во многом другом, назвал дальнодействие «иррациональным» и «абсолютно непостижимым».

Атомисты различали два аспекта локальности. Принцип локального действия гласит, что воздействия не перепрыгивают из одного места в другое, но проходят через все промежуточные точки. А принцип отделимости гласит, что каждый отдельный объект обладает своей независимой реальностью. У мира есть структура — вещи не сливаются вместе, образуя бесформенную массу. Электромагнитное, гравитационное и другие поля воплощают обе эти идеи, но таким образом, о котором античные атомисты не могли даже помыслить. Объекты могут взаимодействовать не только при соприкосновении, но также и путем непрерывного воздействия: за счет колебаний полей. Каждая точка поля является отдельным объектом сама по себе, существование которого — объективный факт, признаваемый всеми наблюдателями.

Если греческие философы, а позже и философы-механицисты полагали, что локальность самоочевидна, то Эйнштейн считал необходимым ее обосновать. Какой бы важной она ни была, с его точки зрения, он осмотрительно признавал ее предположением, о котором нужно судить по практическому успеху той системы взглядов, частью которой оно является. И эта система взглядов, несомненно, имела успех. То, насколько хорошо полевые теории работали сообща, утвердило локальность в обоих ее аспектах.

Итак, физики действительно думали, что на сей раз они правы. Однако как раз в момент своего триумфа принцип локальности — а с ним и вся классическая концепция пространства — подвергся новым нападкам со стороны возникшей тогда квантовой механики. Идея, которую философы и физики в течение двух с половиной тысячелетий пытались не допустить, — о том, что взаимодействия могут происходить, невзирая на оковы пространства, — все-таки нашла себе лазейку. Поскольку Эйнштейн так глубоко внедрил локальность в науку, ее новые трудности потрясли основы науки сильнее, чем когда-либо, и физики все еще расхлебывают последствия.

Необычное происхождение квантовой механики