Найбільші загадки: що таке простір-час?

Люди завжди беруть простір як само собою зрозуміле. Зрештою, це просто порожнеча — ємність для всього іншого. Час цокає безперервно. Але фізики такі люди, їм завжди потрібно щось ускладнити. Регулярно намагаючись поєднувати свої теорії, вони з'ясували, що простір і час зливаються в системі настільки складною, що звичайній людині і не зрозуміти.

Альберт Ейнштейн зрозумів, що нас чекає, ще в листопаді 1916 року. Роком раніше він сформулював загальну теорію відносності, згідно з якою гравітація — це не сила, яка поширюється в просторі, а властивість самого простору-часу. Коли ви підкидаєте м'яч в повітря, він летить по дузі і повертається на землю, бо Земля викривляє простір-час навколо себе, тому доріжки м'яча і землі перетнуться знову. У листі другові Ейнштейн розглядав задачу злиття загальної теорії відносності з іншим своїм дітищем, зароджується теорією квантової механіки. Але його математичних навичок просто не вистачало. «Як же я замучив себе цим!», писав він.

Ейнштейн так нікуди і не прийшов в цьому відношенні. Навіть сьогодні ідея створення квантової теорії гравітації здається дуже далекою. Спори приховують важливу істину: конкурентні підходи всі як один говорять про те, що простір народжується десь глибше — і ця ідея ламає усталений за 2500 років наукове і філософське уявлення про нього.

Вниз по чорній дірі

Звичайний магнітик на холодильнику чудово ілюструє проблему, з якою зіткнулися фізики. Він може приколоти папірець і чинити опір гравітації всій Землі. Гравітація слабкіше магнетизму або інший електричної або ядерної сили. Які б квантові ефекти за нею не стояли, вони будуть слабкіше. Єдине відчутне доказ того, що ці процеси взагалі відбуваються, це строката картина матерії в ранній Всесвіту, яка, як вважають, була намальована квантовими флуктуаціями гравітаційного поля.

Чорні діри — кращий спосіб перевірити квантову гравітацію. «Це найкраще, що можна знайти для експериментів», говорить Тед Джейкобсон з Університету Меріленда, Коледж-Парк. Він і інші теоретики вивчають чорні діри як теоретичні точки опори. Що відбувається, коли беруться рівняння, які ідеально працюють в лабораторних умовах, і містяться в самі екстремальні ситуації мислимих? Чи Не з'явиться який-небудь ледь помітною огріхи?

Загальна теорія щодо пророкує, що речовина, що падає на чорну діру, нескінченно стискається по мірі наближення до центру — математичного тупичку під назвою сингулярність. Теоретики не можуть уявити траєкторію об'єкта за межами сингулярності; всі лінії сходяться у ній. Навіть говорити про неї, як про місце, проблематично, тому що сам простір-час, що визначає местоположенрие сингулярності, припиняє існувати. Вчені сподіваються, що квантова теорія може надати нам мікроскоп, який дозволить розглянути цю нескінченно малу точку нескінченної щільності і зрозуміти, що відбувається з потрапляє в неї матерією.

На кордоні чорної діри речовина ще не настільки здавлена, гравітація слабше і, наскільки нам відомо, всі закони фізики повинні працювати. І тим більше дивує той факт, що вони не працюють. Чорна діра обмежена горизонтом подій, точкою неповернення: речовина, преодолевающее горизонт подій, вже не повернеться. Спуск незворотній. Це проблема, тому що всі відомі закони фундаментальної фізики, включаючи квантово-механічні, оборотні. Принаймні, в принципі, в теорії, ви повинні мати можливість звернути рух і відновити всі частинки, які у вас були.

З схожою головоломкою фізики зіткнулися в кінці 1800-х, коли розглядали математику «чорного тіла», ідеалізованого як порожнина, заповнена електромагнітним випромінюванням. Теорія електромагнетизму Джеймса Клерка Максвелла пророкувала, що такий об'єкт буде поглинати все випромінювання, яке на нього падає, і ніколи не прийде в рівновагу з навколишнім матерією. «Він може поглинути нескінченну кількість тепла від резервуара, який підтримується при постійній температурі», пояснює Рафаель Соркін з Інституту теоретичної фізики Периметра в Онтаріо. З теплової точки зору у нього буде температура абсолютного нуля. Цей висновок суперечить спостереженнями справжніх чорних тіл (таких, як піч). Продовжуючи роботу над теорією Макса Планка, Ейнштейн показав, що чорне тіло може досягти теплового рівноваги, якщо енергія випромінювання буде надходити в дискретних одиницях, або квантах.

Фізики-теоретики майже півстоліття намагалися досягти подібного рішення для чорних дір. Покійний Стівен Хокінг з Кембріджського університету зробив важливий крок у середині 70-х, застосувавши квантову теорію поля випромінювання навколо чорних дір і показавши, що у них ненульова температура. Отже, вони можуть не тільки поглинати, але і випромінювати енергію. Хоча його аналіз увернув чорні діри в область термодинаміки, він також посилив проблему незворотності. Вихідне випромінювання випускається на кордоні чорної діри і не переносить інформацію з надр. Це випадкова теплова енергія. Якщо звернути процес і згодувати цю енергію чорної діри, нічого не спливе: ви просто отримаєте ще більше тепла. І неможливо уявити, що в чорній дірі щось залишилося, просто в пастці, тому що по мірі того, як чорна діра випускає випромінювання, вона скорочується, і, відповідно до аналізу Хокінга, в кінцевому підсумкузникає.

Ця проблема отримала назву інформаційного парадоксу, оскільки чорна діра руйнує інформацію про потрапили в неї частинках, які ви могли б спробувати відновити. Якщо фізика чорних дір дійсно необоротно, що має виносити інформацію назад, і нашу концепцію простору-часу, можливо, доведеться змінювати, щоб вписати цей факт.

Атоми простору-часу

Тепло — це випадкове рух мікроскопічних частинок, начебто молекул газу. Оскільки чорні діри можуть нагріватися і охолоджуватися, було б розумно припустити, що вони складаються з частин — або, якщо в загальному, з мікроскопічної структури. І оскільки чорна діра — це просто порожній простір (згідно ОТО, падає в чорну діру матерія проходить через горизонт подій, не зупиняючись), частини чорної діри мають бути частинами самого простору. І під оманливою простотою плоского порожнього простору ховається колосальна складність.

Навіть теорії, які повинні були зберігати традиційне уявлення про простір-часу, прийшли до висновків, що ховається під цією гладкою поверхнею. Наприклад, в кінці 1970-х років Стівен Вайнберг, який зараз працює в Техаському університеті в Остіні, спробував описати гравітацію так само, як описують інші сили природи. І з'ясував, що простір-час радикально модифіковано у своїх дрібних масштабах.

Фізики спочатку візуалізували мікроскопічне простір як мозаїку з невеликих шматочків простору. Якщо збільшити їх до планківських масштабах, надзвичайно малих розмірів 10^-35 метра, вчені вважають, що можна побачити щось на зразок шахової дошки. А може і ні. З одного боку, така мережа ліній шахового простору буде віддавати перевагу одні напрямки іншим, створюючи асиметрії, які суперечать спеціальної теорії відносності. Наприклад, світло різних кольорів буде рухатися з різною швидкістю — як у скляній призмі, яка розбиває світло на складові кольору. І хоча прояви на малих масштабах буде дуже важко помітити, порушення ОТО будуть відверто очевидними.

Термодинаміка чорних дір ставить під сумнів картину простору у вигляді простої мозаїки. Вимірюючи теплове поведінка будь-якої системи, ви можете порахувати її частини, принаймні в принципі. Скиньте енергію і подивіться на термометр. Якщо стовпчик злетів, енергія повинна поширюватися на порівняно небагато молекул. Фактично, ви вимірюєте ентропію системи, яка являє собою мікроскопічну складність.

Якщо зробити це з звичайною речовиною, кількість молекул збільшується разом з обсягом матеріалу. Так, у всякому разі, має бути: якщо збільшити радіус пляжного м'яча в 10 разів, всередині нього поміститься в 1000 разів більше молекул. Але якщо збільшити радіус чорної діри в 10 разів, число молекул в ній примножиться всього в 100 разів. Число молекул, з яких вона складається, має бути пропорційним не її об'єму, а площі поверхні. Чорна діра може здаватися тривимірної, але веде себе як двовимірний об'єкт.

Цей дивний ефект отримав назву голографічного принципу, тому що нагадує голограму, яка бачиться нам як тривимірний об'єкт, а при найближчому розгляді виявляється зображенням, виробленим двовимірної плівкою. Якщо голографічний принцип враховує мікроскопічні складові простору і його вмісту, що фізики допускають, хоч і не все — для створення простору буде недостатньо простого сполучення найдрібніших його шматочків.

Заплутані мережі

В останні роки вчені усвідомили, що в цьому всьому має бути замішана квантова заплутаність. Це глибоке властивість квантової механіки, надзвичайно потужний тип зв'язку, здається набагато примітивніше простору. Наприклад, експериментатори можуть створити дві частинки, що летять в протилежні напрямки. Якщо вони будуть заплутані, вони залишаться пов'язаними незалежно від розділяє їх відстань.

Традиційно, коли люди говорили про «квантової» гравітації, вони мали на увазі квантову дискретність, квантові флуктуації і всі інші квантові ефекти — але не квантова заплутаність. Все змінилося, завдяки чорним дірам. За час життя чорної діри в неї потрапляють заплутані частинки, але коли чорна діра повністю випаровується, партнери за межами чорної діри залишаються заплутаними — ні з чим. «Хокінгу варто було назвати це проблемою заплутаності», говорить Самір Матуру з Університету штату Огайо.

Навіть у вакуумі, де немає ніяких частинок, електромагнітні та інші поля внутрішньо заплутані. Якщо виміряти полі в двох різних місця, ваші свідчення будуть незначно коливатися, але залишаться в координації. Якщо поділити область на дві частини, ці частини будуть в кореляції, а ступінь кореляції буде залежати від геометричного властивість, яке у них є: площа інтерфейсу. У 1995 році Якобсон заявив, що заплутаність забезпечує зв'язок між присутністю матерії і геометрією простору-часу — а значить, могла б пояснити і закон гравітації. «Більше заплутаності — гравітація слабкіше», говорив він.

Деякі підходи до квантової гравітації — насамперед, теорія струн — розглядаю заплутаність як важливий наріжний камінь. Теорія струн застосовує голографічний принцип не тільки до чорних дірок, але і всесвіту в цілому, забезпечуючи рецепт створення простору — або, принаймні певної його частини. Оригінальне двовимірне простір буде служити кордоном більш обширногооб'ємного простору. А заплутаність буде пов'язувати об'ємний простір в єдине і безперервне ціле.

У 2009 році Марк Ван Раамсдонк з Університету Британської Колумбії надав елегантне пояснення цього процесу. Припустимо, поля на кордоні не заплутані — вони утворюють кілька систем поза кореляції. Вони відповідають двом окремим всесвітах, між якими немає ніякого способу зв'язку. Коли системи стають заплутаними, утворюється ніби тунель, червоточина, між цими всесвітами і космічні кораблі можуть переміщатися між ними. Чим вище ступінь заплутаності, тим менше довжина червоточини. Всесвіти зливаються в одну і більше не є двома окремими. «Поява великого простору-часу безпосередньо пов'язує заплутаність з цими ступенями свободи теорії поля», говорить Ван Раамсдонк. Коли ми спостерігаємо кореляції в електромагнітному і інших полях, вони є залишком зчеплення, яке пов'язує воєдино простір.

Багато інші особливості простору, крім його пов'язаності, також можуть відображати заплутаність. Ван Раамсдонк і Брайан Свингл, що працює в Університеті Меріленда, стверджує, що настирливість заплутаності пояснює універсальність гравітації — що вона впливає на всі об'єкти і проникає скрізь. Що стосується чорних дір, Леонард Сасскинд і Хуан Малдасена вважають, що заплутаність між чорною дірою і испускаемым їй випромінюванням створює червоточину — чорний вхід в чорну діру. Таким чином зберігається інформація і фізика чорної діри виявляється незворотною.

Хоча ці ідеї теорії струн працюють тільки для конкретних геометрій і реконструюють тільки один вимір простору, деякі вчені намагаються пояснити появу простору з нуля.

У фізиці, так і в цілому, в природничих науках, простір і час — основа для всіх теорій. Але ми ніколи не помічаємо простору-часу безпосередньо. Швидше, виводимо його існування з нашого повсякденного досвіду. Ми припускаємо, що найбільш логічним поясненням явищ, які ми бачимо, буде певний механізм, який функціонує в просторі-часу. Але квантова гравітація говорить нам, що не всі явища ідеально вписуються в таку картину світу. Фізикам потрібно зрозуміти, що перебуває ще глибше, таємницю простору, зворотний бік гладкого дзеркала. Якщо їм вдасться, ми закінчимо революцію, розпочату більше століття тому Ейнштейном.