Физики считают, что в мельчайших масштабах пространство возникает из квантов. Но какими могут быть эти строительные блоки?
Люди всегда воспринимали пространство как нечто обычное и должное. Действительно, пространство всего лишь пустота — фон для всего остального. Время, также, просто клеится непрерывно. На самом деле, ученые это понимают, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что она может игнорировать наши самые ярые попытки ее понять.
Альберт Эйнштейн увидел и понял это, еще в ноябре 1916 года. Годом ранее он сформулировал свою общую теорию относительности, который гласит, что гравитация — это не сила, распространяющаяся в пространстве, а особенность самого пространства-времени. Когда вы бросаете шар высоко в воздух, он возвращается к земле, потому что Земля искажает пространство-время вокруг него, так что пути шара и земли снова пересекаются. В письме к другу,
Эйнштейн рассматривал проблему слияния общей теории относительности со своим другим детищем, зарождающейся теорией квантовой механики. Это не просто исказило бы пространство, а демонтировало бы его. С математической точки зрения он едва знал, с чего начать. «Сколько же я так мучил себя!» — писал он.Эйнштейн так и не добрался до истины — не хватило жизни.
В настоящее время не существует единого учения квантовой теории гравитации — гипотез не меньше, чем количество ученых, работающих над этой темой. Но споры вскрывают важную истину: конкурирующие подходы утверждают, что понятие пространства происходит от чего-то более глубокого, связанного с 2500-летним научным и философским человеческим изысканием сути всех вещей.
Кухонный магнит аккуратно демонстрирует проблему, с которой сталкиваются физики. Он может захватывать скрепку с гравитацией всей Земли. Гравитация слабее магнетизма или электрических или ядерных сил. Какими бы ни были квантовые эффекты, они все еще слабее.
Единственное осязаемое доказательство того, что эти процессы происходят вообще, — это пестрая картина материи в самой ранней Вселенной, которая, как предполагается, вызвана, в частности, квантовыми флуктуациями гравитационного поля.
Черные дыры являются лучшим тестовым примером для квантовой гравитации. «Это самое близкое к эксперименту, — говорит Тед Джекобсон из Университета штата Мэриленд, Колледж-Парк. Он и другие теоретики изучают черные дыры как теоретические точки опоры. Что происходит, когда вы принимаете уравнения, которые отлично работают в лабораторных условиях и экстраполируют их до самой экстремальной мыслимой ситуации? Будет ли проявляться какая-то тонкая ошибка?
Общая теория относительности предсказывает, что вещество, попадающее в черную дыру, становится без ограничений сжато, когда оно приближается к центру, а это математический тупик, называемый сингулярностью. Теоретики не могут экстраполировать траекторию объекта за пределами сингулярности; его временная линия заканчивается там.
Даже говорить о «там» проблематично, потому что само пространство-время, определяющее местоположение сингулярности, перестает существовать. Исследователи надеются, что квантовая теория может сфокусировать микроскоп на этом этапе и отслеживать, что происходит с материалом, который падает.
На границе отверстия материя не настолько сжата, гравитация слабее и, по всем правилам, на ней все еще должны соблюдаться известные законы физики. Но черная дыра демаркирована горизонтом событий, точка невозврата: материя, которая падает, не может вернуться. Спуск необратим. Это проблема, потому что все известные законы фундаментальной физики,
в том числе квантовой механики, считаются обратимыми. По крайней мере, в принципе, вы должны иметь возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.
Очень похожая головоломка столкнулась с физиками в конце 1800-х годов, когда они рассматривали математику «черного тела». Теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла предсказала, что такой объект поглотит все излучение, которое на него падает, и что он никогда не сможет прийти к равновесию с окружающей материей.
«Он поглотит бесконечное количество тепла из резервуара, поддерживаемого при фиксированной температуре», — объясняет Рафаэль Соркин из Института теоретической физики по периметру в Онтарио. В термических терминах она будет иметь фактически абсолютную нулевую температуру. Этот вывод противоречил наблюдениям реальных черных тел (таких как печь).
Следуя работе Макса Планка, Эйнштейн показал, что черное тело может достичь теплового равновесия, если излучательная энергия поступает в дискретные единицы или кванты.
Теоретические физики уже почти полвека пытаются добиться эквивалентного разрешения для черных дыр.
Покойный Стивен Хокинг из Кембриджского университета сделал огромный шаг в середине 1970-х годов, когда он применил квантовую теорию к полю излучения вокруг черных дыр и показал, что они имеют отличную от нуля температуру. Таким образом, они могут не только поглощать, но и излучать энергию. Хотя его анализ принес некоторую ясность в теорию термодинамики для природы черных дыр, это еще более углубило проблему необратимости. Уходящее излучение выходит из-за границы отверстия и не несет никакой информации о внутренней части. Это случайная тепловая энергия. Если вы отмените процесс и вернете энергию, то материал, который упал, не выскочит — вы просто получите больше тепла.
И вы не можете себе представить, какие оригинальные вещи все еще существуют, но они просто заперты внутри дыры, потому что, поскольку дыра излучает радиацию, она сжимается и, согласно анализу Хокинга, в конечном счете исчезает.
Эта проблема называется информационным парадокс, потому что черная дыра разрушает информацию об аффилированных частицах, которая позволила бы вам перемотать свое движение. Если физика черных дыр действительно обратима, что-то должно нести информацию обратно, и тогда нашу концепцию пространства-времени, возможно, потребуется изменить?
АТОМЫ ПРОСТРАНСТВА
Тепло — это случайное движение микроскопических частей, таких как молекулы газа. Поскольку черные дыры могут прогреваться и остывать, разумно, что они имеют части или, в более общем плане, микроскопическую структуру. И поскольку черная дыра — это просто пустое пространство (согласно общей теории относительности, аффинная материя проходит через горизонт, но не может задерживаться), части черной дыры должны быть самими частями пространства.
Даже теории, которые собираются сохранить обычное понятие пространства-времени, заканчиваются тем, что что-то скрывается за безликим фасадом. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг, теперь в Техасском университете в Остине, стремился описать гравитацию во многом так же, как и другие силы природы.
Он все еще обнаружил, что пространство-время радикально модифицировано на своих лучших масштабах.
Физики первоначально визуализировали микроскопическое пространство как мозаику небольших кусков пространства. Если вы приближаетесь к шкале Планка, почти невероятно маленькому размеру 10-35 метров, они думали, что вы увидите что-то вроде шахматной доски. Но это не совсем правильно.
С одной стороны, линии сетки шахматной доски будут обладать некоторыми направлениями над другими, создавая асимметрии, которые противоречат специальной теории относительности. Например, свет разных цветов может перемещаться с разной скоростью — как в стеклянной призме, которая преломляет свет в его составные цвета.
В то время как эффекты на малых масштабах обычно трудно увидеть, нарушения относительности на самом деле будут достаточно очевидными.
Термодинамика черных дыр ставит под сомнение картину пространства как простой мозаики. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете считать ее части, по крайней мере в принципе. Сбросьте энергию и посмотрите на термометр.
Если он взлетает, эта энергия должна распространяться на сравнительно несколько молекул. Фактически, вы измеряете энтропию системы, которая представляет собой ее микроскопическую сложность.
Если вы пройдете это упражнение для обычного вещества, количество молекул увеличивается с объемом материала.
Точно так же, как и должно быть: если вы увеличите радиус пляжного мяча в 10 раз, у вас будет в 1000 раз больше молекул внутри него. Но если вы увеличите радиус черной дыры в 10 раз, то число молекул будет увеличиваться лишь в 100 раз.
Количество «молекул», из которых он состоит, должно быть пропорциональным не его объему, а площади его поверхности. Черная дыра может выглядеть трехмерной, но она ведет себя так, как если бы она была двумерной.
Этот странный эффект идет под названием голографического принципа, потому что он напоминает голограмму, которая представляется нам как трехмерная, мерного объекта. Однако при более внимательном рассмотрении это оказывается образ, созданный двумерным листом пленки. Если голографический принцип учитывает микроскопические составляющие пространства и его содержимого — как физиков, широко, хотя и не повсеместно, принимать — он должен занимать больше места, чем спланировать вместе маленькие кусочки.
Во всяком случае, отношение части к целому редко так просто. Молекула H2O — это не просто кусочек воды. Рассмотрим, что делает жидкая вода: она течет, образует капельки, несет рябь и волны, и замерзает и кипит. Отдельная молекула H2O ничего не делает: это коллективное поведение. Точно так же,
строительные блоки пространства не обязательно должны быть пространственными. «Атомы пространства — это не самые маленькие части пространства», — говорит Даниэле Орити из Института гравитационной физики им. Макса Планка в Потсдаме, Германия. «Они являются составляющими пространства. Геометрические свойства пространства являются новыми, коллективными, приближенные свойства системы, состоящей из многих таких атомов ».
Что именно эти строительные блоки зависят от теории. В квантовой гравитации петли они представляют собой кванты объема, агрегированные с применением квантовых принципов. В теории струн, это поля, похожие на тот электромагнетизм, который существует на поверхности, прослеживаемые движущейся нитью или петлей энергии. В М-теории, которая связана с теорией струн и может лежать в основе этого, они являются особым типом частицы: мембрана сжата до точки. В теории причинно-следственных связей, это события, связанные с паутиной причинно-следственных связей. В теории амплификации и некоторых других подходах нет никаких строительных блоков вообще — по крайней мере, в каком-либо обычном смысле.
Хотя организационные принципы этих теорий различны, все стремятся поддерживать некоторую версию так называемого релятивизма 17 и 18-летнего философа Готфрида Лейбница. В широком смысле реляционизм считает, что пространство возникает из определенной структуры корреляций между объектами. В этом представлении пространство — головоломка. Вы начинаете с большой кучи штук, смотрите, как они соединяются и размещают их соответственно. Если две части имеют схожие свойства, такие как цвет, они, вероятно, будут рядом; если они сильно отличаются друг от друга, вы осторожно ставите их далеко друг от друга. Физики обычно выражают эти отношения как сеть с определенной структурой связности. Отношения продиктованы квантовой теорией или другими принципами, и последует пространственное расположение.
Фазовые переходы — еще одна общая тема.
Если пространство собрано, оно также может быть разобрано; то его строительные блоки могли бы быть организованы во что-то, что не похоже на пространство. «Подобно тому, как у вас разные фазы материи, такие как лед, вода и водяной пар, атомы пространства могут также перенастраиваться на разных этапах», — говорит Тану Падманабхан из Интер-Университетскиого центр астрономии и астрофизики в Индии. С этой точки зрения черные дыры могут быть местами, где пространство плавится. Известные теории ломаются, но более общая теория описывает, что происходит в новой фазе. Даже когда космос достигает своего конца, физика продолжается.
Большая реализация последних лет — и эта, которая пересекла старые дисциплинарные границы — заключается в том, что соответствующие отношения связаны с квантовым запутыванием. Во внеуровневом типе корреляции, присущего квантовой механике, запутывание кажется более примитивным, чем пространство. Например, экспериментатор может создать две частицы, которые летят в противоположных направлениях. Если они запутаны, они по-прежнему координируются независимо от того, насколько они далеко друг от друга.
Традиционно, когда люди говорили о «квантовой» гравитации, они имели в виду квантовую дискретность, квантовые флуктуации и почти любой другой квантовый эффект в книге, но не квантовые запутывания. Это изменилось, когда черные дыры вызвали проблему. В течение всей жизни черной дыры в нее попадают запутанные частицы, но после полного испарения дыры их партнеры снаружи остаются запутанными ни с чем.
«Хокинг должен был назвать это проблемой перепутывания, — говорит Самир Матур из Университета штата Огайо.
Даже в вакууме, без частиц вокруг, электромагнитные и другие поля внутренне запутаны. Если вы измеряете поле в двух разных местах, ваши показания будут перемешиваться случайным, но скоординированным образом. И если вы разделите регион на два, фрагменты будут скоррелированы, причем степень корреляции зависит от единственной геометрической величины, которую они имеют вместе: площадь их интерфейса. В 1995 году Джейкобсон утверждал, что запутывание обеспечивает связь между присутствием материи и геометрией пространства-времени, т. Е. Может объяснять закон гравитации.
«Больше запутывания подразумевает более слабую гравитацию, то есть более жесткое пространство-время», — говорит он.
Несколько подходов к квантовой гравитации — прежде всего, теория струн — теперь видят запутанность как решающую. Теория струн применяет голографический принцип не только к черным дырам, но и к Вселенной в целом, предоставляя рецепт создания пространства или, по крайней мере, некоторых из них. Например, двумерное пространство может быть пронумеровано полями, которые при правильном построении генерируют дополнительное измерение пространства. Первоначальное двумерное пространство будет служить границей более экспансивного царства, известного как объемное пространство.
И запутывание — это то, что вставляет объемное пространство в смежное целое.
В 2009 году Марк Ван Рамсдонк из Университета Британской Колумбии дал элегантный аргумент в пользу этого процесса. Предположим, что поля на границе не запутаны — они образуют пару некоррелированных систем. Они соответствуют двум отдельным вселенным,
без возможности путешествовать между ними. Когда системы запутываются, как будто туннель или червоточина открывается между этими вселенными, и космический корабль может переходить от одного к другому. По мере увеличения степени перепутывания червоточина сжимается по длине,
объединяя вселенные, пока вы больше не будете говорить о них как о двух вселенных. «Появление большого пространства-времени напрямую связано с запутанностью этих степеней свободы теории поля», — говорит Ван Рамсдонк. Когда мы наблюдаем корреляции в электромагнитном и других областях,
они являются остатком переплетения, которое связывает пространство вместе.
Многие другие особенности пространства, помимо его соприкосновения, могут также отражать запутывание. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл, теперь в Университете штата Мэриленд, Колледж-Парк, утверждают, что вездесущность запутывания объясняет универсальность гравитации — что она затрагивает все объекты и не может быть экранирована. Что касается черных дыр, Леонард Сассскинд из Стэнфордского университета и Хуан Мальдацена из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью-Йорк, предполагают, что переплетение между черной дырой и испускаемым ею излучением создает червоточину — вход задней двери в отверстие. Это может помочь сохранить информацию и обеспечить обратимость физики черных дыр.
В то время как эти идеи теории струн работают только для конкретных геометрий и реконструируют только один размер пространства,
некоторые исследователи пытались объяснить, как все пространство может появиться с нуля. Например, ChunJun Cao, Spyridon Michalakis и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института, начинают с минималистского квантового описания системы, сформулированного без прямой ссылки на пространство-время или даже на материю.
Если он имеет правильную структуру корреляций, система может быть расщеплена на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутывания определяет понятие пространственного расстояния.
В физике и, в более общем плане, в естественных науках, пространстве и времени являются основой всех теорий.
Но мы никогда не видим пространства-времени напрямую. Скорее мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что наиболее экономичным объяснением явлений, которые мы видим, является некоторый механизм, который действует в пространстве-времени. Но нижний урок квантовой гравитации состоит в том, что не все явления аккуратно вписываются в пространство-время.
Физикам нужно будет найти какую-то новую основную структуру, и когда они это сделают, они завершат революцию, начатую чуть более века назад с Эйнштейном.
