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

Эта идея вызвала бурю. В физике, как и в альпинизме, трудно определить, когда нужно энергично продолжать, а когда повернуть назад, — упрямство вознаграждается в этой области, но до определенного уровня. Гиддингс решил переключиться на другие проблемы. «Возможно, ученое сообщество было еще не готово к этому», — говорит он. Большинство его коллег, отказываясь от локальности, не увязывали две теории настолько, чтобы покончить с проблемой. Эйнштейн и другие создатели теорий занимались этим с явной целью исключить нелокальность из физики. Ньютоновское тяготение действовало на расстоянии словно по волшебству, а общая теория относительности разломила волшебную палочку на две части. Таким же образом квантовая механика в своей первоначальной инкарнации описывала, как частицы реагируют на силы, но умалчивала о том, как передаются эти силы. Иными словами, она неявно предполагала, что силы перепрыгивают через пространство. Физикам пришлось создать ее новую версию, получившую название квантовой теории поля, чтобы ввести механизм распространения. До сих пор они представляют общую теорию относительности и квантовую теорию поля студентам и публике как лучший пример локальности.

Вместе с тем физические теории, как и горы, обладают сверхъестественной способностью преподносить неожиданности. При создании любой теории физики объединяют идеи, возникающие вследствие экспериментов и интуитивных прозрений. Результат неизменно выходит за пределы изначального контекста. Генрих Герц, внесший значительный вклад в создание теории электромагнетизма в XIX в., заметил: «Невозможно изучать эту удивительную теорию без ощущения, что математические уравнения живут самостоятельной жизнью и обладают собственной логикой, что они умнее нас и даже своего разработчика, что они говорят больше, чем он вложил в них». То же самое происходило и столетие спустя с общей теорией относительности и квантовой теорией поля. Независимо от намерений создателей эти теории открылись другой стороной, когда физики стали применять их. Действие сил природы оказалось пронизанным эффектами нелокальности.

Эта глава посвящена примерам нелокальности, которые отличаются от тех, что страшили Эйнштейна в свое время. Они показывают, что локальность, наблюдаемая нами в повседневной жизни, не обязательно характерна для реальной сущности вещей. Хотя силы действуют локально — их влияние распространяется в пространстве с ограниченной скоростью, — эта локальность, похоже, не лежит в основе структуры мира. В нем нет отдельных объектов, которые сообщают и воспринимают эти силы, мир нельзя разделить на независимые пространственные части. А раз так, то пространство не должно быть истинным предметом физики.

Потребовались десятилетия, чтобы большинство физиков переварили эти особенности теорий. Перелом наступил в 1990-х гг. В то время теоретики, работавшие над объединением физики, были разделены на два лагеря, которые пришли к сходным заключениям относительно нелокальности. Сторонники подхода, известного как петлевая квантовая гравитация, утверждали, что силовые поля — это большой клубок, который связывает удаленные части пространства друг с другом. Что касается конкурирующего подхода, теории струн, то он настолько отошел от первоначальной идеи — представления элементарных частиц в виде вибрирующих нитей или спиралей энергии, — что физики стали именовать его не иначе как «теорией, ранее известной как теория струн». Сторонник теории струн Хуан Малдасена, раньше представлявший Гарвард, а теперь работающий в Институте перспективных исследований, предложил концепцию, известную как «AdS/CFT-соответствие», согласно которой кажущиеся удаленными участки на деле могут располагаться один над другим. То, что кажется расстоянием в пространстве, в реальности представляет собой различие в энергии.

Дон Маролф, коллега Гиддингса по Калифорнийскому университету в Санта-Барбаре и один из немногих вхожих в клубы сторонников и теории петлевой квантовой гравитации, и теории струн, рассказывает, как нелокальность выплыла из небытия: «В конце 1980-х — начале 1990-х гг. дискуссия заметно активизировалась в результате рождения и становления теории петлевой квантовой гравитации, которая сделала вопрос более актуальным для растущего сообщества. Затем в 1997 г. Малдасена обнаружил AdS/CFT, и это вызвало большой интерес у значительно более широкого сообщества».