Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Состав мира – это не пространство + частицы + электромагнитное поле + гравитационное поле. Состав мира – это просто частицы + поля и ничего больше; нет необходимости добавлять пространство в качестве отдельного ингредиента. Ньютоновское пространство – это гравитационное поле. Или наоборот (что не меняет смысла): гравитационное поле – это пространство (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Из чего состоит мир?

Но в отличие от ньютоновского пространства, плоского и неподвижного, гравитационное поле, в силу того что оно является полем, есть нечто движущееся и колеблющееся в соответствии со своими уравнениями подобно максвелловскому полю и фарадеевым линиям.

Картина мира радикально упрощается. Пространство больше не отличается от материи. Это одна из материальных составляющих мира подобно электромагнитному полю. Это реальная сущность, которая колеблется, флуктуирует, гнется и мнется.

Рис. 3.6. Земля обращается вокруг Солнца, потому что пространство-время вокруг Солнца искривлено, она подобна горошине, которая кружится в воронке

Мы больше не привязаны к невидимым жестким подмосткам – мы погружены в тело гигантского гибкого моллюска (метафора Эйнштейна). Солнце искривляет пространство вокруг себя, а Земля не обращается вокруг него под влиянием таинственной действующей на расстоянии силы, а движется прямо по покатому пространству. Она подобна горошине, которая кружится в воронке: нет никакой загадочный силы, создаваемой центром воронки, просто кривизна стенок заставляет горошину двигаться по окружности. Планеты обращаются вокруг Солнца, а вещи падают, поскольку пространство вокруг них искривлено (рис. 3.6).

Если быть немного точнее, то искривляется не пространство, а пространство-время – то самое пространство-время, которое, как десятью годами ранее показал сам Эйнштейн, представляет собой единую структуру, а не последовательность мгновений.

Такова идея. Единственной задачей Эйнштейна было найти уравнения, которые придадут ей прочность. Как описать это искривляющееся пространство-время? И здесь Эйнштейну повезло: проблема уже была решена математиками.

Величайший математик XIX столетия Карл Фридрих Гаусс, которого называли королем математиков, разработал метод математического описания искривленных поверхностей – холмистых ландшафтов вроде тех, что изображены на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Искривленная (двумерная) поверхность

Затем он попросил одного своего талантливого студента обобщить этот подход на искривленные пространства в трех и более измерениях. Этот студент, Бернхард Риман, подготовил обширную диссертацию, которая казалась совершенно бесполезной.

Полученный Риманом результат заключался в том, что свойства искривленного пространства (или пространства-времени) любой размерности описываются определенным математическим объектом, который мы сегодня называем римановской кривизной и обозначаем буквой R. Если представить себе равнинный, холмистый и горный ландшафты, то кривизна R поверхности равна нулю на равнинах, которые являются плоскими («без кривизны»), и отлична от нуля на холмах и в долинах; она достигает максимума на острых горных пиках, то есть там, где поверхность дальше всего от плоской, сильнее всего искривлена. С помощью римановской теории можно описывать форму кривых поверхностей в трех или четырех измерениях.

С огромным трудом, обращаясь за помощью к друзьям, лучше разбирающимся в математике, Эйнштейн освоил теорию Римана и записал уравнение, в котором кривизна R пропорциональна энергии материи. В словесной форме это уравнение можно выразить так: пространство-время сильнее искривляется там, где находится материя. И всё. Это уравнение аналогично уравнениям Максвелла, но применительно к гравитации, а не к электричеству. Оно занимает полстроки, и ничего больше не требуется. Образное представление об искривленном пространстве выражается в этом уравнении.

Внутри этого уравнения заключена целая текучая вселенная. В нем магическая сила теории раскрывается в фантасмагорическом ряду предсказаний, напоминающих бредовые видения сумасшедшего, которые, однако, оказываются истиной. Вплоть до самого начала 1980-х годов почти никто не принимал всерьез большую часть этих фантастических предсказаний. И все же, одно за другим, они подтверждались на опыте. Рассмотрим некоторые из них.