Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Однако его друг Матвей был заинтригован, поскольку понимал, что интуиция Ландау хотя и подвела его, говорила о чем-то очень важном. Он повторил те же рассуждения, с помощью которых продемонстрировал, что квантовое электрическое поле хорошо определено в точке пространства, применив их к гравитационному полю, для которого Эйнштейн лишь несколькими годами ранее записал уравнение. И тут – сюрприз! – Ландау оказался прав. Если принимать в расчет кванты, то гравитационное поле в точке не является хорошо определенным.

Есть интуитивный способ понять, о чем речь. Допустим, мы хотим наблюдать очень-очень-очень маленькую область пространства. Для этого необходимо поместить в эту область нечто, чтобы пометить точку, которую мы хотим рассматривать. Скажем, мы помещаем туда частицу. Гейзенберг понял, что нельзя долго локализовать частицу в точке пространства. Она вскоре переместится. Чем меньше область, в которой мы пытаемся локализовать частицу, тем больше скорость, с которой она улетает. (Это принцип неопределенности Гейзенберга.) Если частица улетает с большой скоростью, то она обладает большой энергией. Теперь примем в расчет теорию Эйнштейна. Энергия искривляет пространство. Большая энергия означает, что пространство сильно искривляется. Очень большое количество энергии в очень маленькой области искривляет пространство настолько сильно, что оно схлопывается в черную дыру, подобно коллапсирующей звезде. Но если частица проваливается в черную дыру, ее больше нельзя увидеть. Я не могу использовать ее как точку отсчета для области пространства. Таким образом, я не могу измерить сколь угодно малую область пространства, поскольку если я попробую это сделать, область исчезнет внутри черной дыры.

Это рассуждение можно сделать более точным, если добавить немного математики. Общий вывод: из совместного применения квантовой механики и общей теории относительности вытекает, что существует предел для делимости пространства. Масштабы меньше некоторого значения нам недоступны. Если точнее, там ничего не существует.

Насколько мала эта минимальная область пространства? Подсчитать несложно: нужно вычислить минимальный размер частицы перед ее падением в собственную черную дыру, и делается это вполне очевидным способом. Минимальная длина составляет около

Под знаком квадратного корня располагаются три фундаментальные константы: ньютоновская постоянная тяготения G, обсуждавшаяся в главе 2, которая задает силу гравитации; скорость света c, введенная в главе 3 при рассмотрении теории относительности, которая открывает нам расширенное настоящее; и, наконец, постоянная Планка h, с которой мы познакомились в главе 4, определяющая масштаб квантовой зернистости[86]. Присутствие этих трех констант подтверждает тот факт, что мы ищем нечто, связанное с гравитацией (G), теорией относительности (c) и квантовой механикой (h).

Расстояние L_P, определенное таким образом, называется планковской длиной. По справедливости следовало бы называть ее бронштейновской, но таков уж наш мир. Ее численное значение составляет примерно одну миллионную миллиардной миллиардной миллиардной доли сантиметра (10^–33 см). Так что она весьма мала.

Именно в таком экстремально малом масштабе проявляет себя квантовая гравитация. Чтобы получить представление, насколько мала обсуждаемая величина, представьте себе, что мы увеличили скорлупку грецкого ореха до размеров всей видимой Вселенной; но даже в таком масштабе планковская длина все еще не будет видна. Даже после такого колоссального увеличения она будет в миллион раз меньше ореха до увеличения. В этом масштабе пространство и время меняют свою природу. Они становятся чем-то совершенно иным – квантовыми пространством и временем, и понять, что это значит, довольно трудно.

Матвей Бронштейн понял все это в 1930-х годах и написал две короткие, но очень ясные статьи, в которых отмечал, что квантовая механика и общая теория относительности при совместном использовании несовместимы с нашим привычным представлением о пространстве как о бесконечно делимом континууме[87].

Вскоре, однако, возникла проблема. Матвей и Лев были искренними коммунистами. Они верили в революционное освобождение человечества, построение принципиально лучшего общества без несправедливости и без колоссального неравенства, которые, как мы видим, постоянно растут в мире. Они были твердыми последователями Ленина. Когда Сталин пришел к власти, это вызвало у них сначала растерянность, потом критическое отношение, затем враждебность. Они писали статьи, которые были умеренными, но открыто критичными… Это был не тот коммунизм, которого они хотели…