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

Чтобы восстановить порядок, многие физики высказывали в 1930-х гг. идею о том, что поля не могут колебаться ниже определенного порогового масштаба. Вернер Гейзенберг, в частности, подозревал практически с момента возникновения квантовой механики, что континуум должен распадаться в субатомных масштабах. Он предложил похожее на шахматную доску пространство, названное им Gitterwelt, или «решетчатый мир». Однако эта идея самоуничтожилась. Линии решетки давали преимущества одним направлениям перед другими, поэтому пространство должно было казаться разным для движущегося и неподвижного наблюдателя, нарушая симметрию теории относительности. В конце 1940-х гг. физики вернули континуум. Бесконечные количества, рассудили они, указывают просто на то, что пока еще неизвестные поля действуют в малых масштабах. Дополняя набор полей, можно создать внутренне непротиворечивую картину электрических, магнитных и ядерных сил.

Другое дело — гравитация. Она ведет себя ненормально в крошечных масштабах, и в начале 1970-х гг. теоретики поняли, что никакое дополнение не поможет взять ее под контроль. Иначе говоря, континуум в конце концов рассыпается. Обычно за уровень, где это происходит, называемый масштабом Планка, принимают не просто крошечный масштаб, а такой, который по отношению к обычному атому вещества равноценен отношению размера вашего тела к размеру изученной Вселенной. Никакой микроскоп или ускоритель частиц, созданный руками человека, не позволяет увидеть этот планковский неуловимый процесс. Тем не менее косвенно он проявляется в том смысле, что эмпирически подтвержденные теории перестают работать не иначе как из-за разрушения пространства на этом уровне.

Что в точности происходит, остается довольно загадочным. Пространство может быть больше похожим не на шахматную доску, а на акварель, где мазки накладываются друг на друга, размывая объект без создания четкого решетчатого образа. Такая структура нарушает локальность в буквальном смысле, поскольку пропадает возможность четкой локализации объектов. Еще важнее то, что одно тянет за собой другое. Нельзя изменить какой-то один аспект пространства — поделить на крошечные кусочки, не меняя многое другое для сохранения непротиворечивости поведения. Потенциальные объединители физики рисуют субатомную страну чудес, которую человеку едва ли под силу понять.

В предлагаемых квантовых теориях гравитации все фантастические свойства, которыми наделяют квантовые частицы, относятся и к пространству. Если частицы могут одновременно существовать в нескольких местах, подобно коту Шрёдингера, который одновременно и жив, и мертв, то пространство способно иметь множество форм. Теперь пространство вообще не имеет формы — это просто размытая возможность, а положение становится неопределимым. Причинно-следственная ткань вот-вот распадется. Сторонники теории струн, которые выводят свойства субмикроскопического пространства из поведения населяющих его петель энергии, полагают, что такие понятия, как «размер» и «измерение», становятся зыбкими. При сжатии струны она достигает определенного минимального размера и начинает опять расширяться, как шар, который при сдавливании в одном месте расширяется в другом, за исключением того, что это другое — совершенно новое измерение пространства. «Обычные представления о пространстве-времени просто несправедливы для теории струн», — говорит Джо Полчински.

Короче говоря, локальность перестает работать во всех смыслах. Вместе с тем эти штучки происходят на уровне масштаба Планка или близко к нему. Если взять общую картину, то с пространством все в порядке. Триллионы триллионов пространственных атомов складываются в единое цельное пространство. Эти атомы взаимно независимы, поэтому правило локальности выполняется — каждая часть пространства существует независимо. По крайней мере таково традиционное представление.

Теоретики, которые достигли зрелости в 1990-х гг., вроде Фотини Маркопоулоу, сочли такую аргументацию неубедительной. Разве может самое грандиозное предприятие всей теоретической науки — объединение физики — иметь такие мизерные последствия для мира в целом? Маркопоулоу и другие теоретики пришли к мысли о том, что наши традиционные представления о пространстве разрушаются не только в глубине частиц, но и в макромире на миллионах километров открытого космоса, а также, не исключено, даже в масштабе наблюдаемой Вселенной. «Если квантовая гравитация является таким фундаментальным явлением, как мы думаем, если она связана с самой структурой пространства-времени, то, на мой взгляд, ее проявление не должно быть слишком маленьким», — говорит Маркопоулоу.