Что, если пространства-времени нет? Зачем ученые ищут замену устоявшейся модели Вселенной

Представьте на мгновение: то, что вы всегда считали фундаментальной основой реальности — сцена, на которой разворачивается вся драма Вселенной — может оказаться всего лишь иллюзией, удобной аппроксимацией чего-то гораздо более странного и глубокого. Звучит как завязка научно-фантастического романа, не правда ли? Однако именно такой революционный пересмотр назревает в умах ведущих физиков-теоретиков мира. Речь идет о пространстве-времени — четырехмерной ткани, объединяющей три пространственных измерения с временем, концепции, которая уже более века служит опорой для нашего понимания космоса. Но почему же ученые все чаще говорят о необходимости «отказаться» от него?

Откуда вообще взялось это пространство-время?

Чтобы понять суть назревающей революции, стоит вспомнить, как мы пришли к нынешнему пониманию. До начала XX века пространство и время воспринимались как отдельные, независимые сущности. Пространство было абсолютной, неизменной «коробкой», в которой происходят события, а время — универсальным, равномерно текущим «потоком». Все изменилось с появлением работ Альберта Эйнштейна и его коллег, таких как Герман Минковский.

Специальная теория относительности (СТО), сформулированная Эйнштейном в 1905 году, показала, что пространство и время неразрывно связаны. Скорость света оказалась константой, не зависящей от движения наблюдателя, а это, в свою очередь, означало, что измерения длины и промежутков времени относительны — они меняются в зависимости от скорости. Минковский блестяще обобщил эти идеи, заявив в 1908 году, что «отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней, и лишь своего рода единение этих двух сохранит независимую реальность». Так родилось понятие четырехмерного пространства-времени.

Десять лет спустя Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности (ОТО), которая стала нашей современной теорией гравитации. И здесь пространство-время вышло на передний план уже в совершенно новом качестве. ОТО описывает гравитацию не как силу, действующую между телами, а как проявление кривизны самого пространства-времени. Массивные объекты, такие как звезды и планеты, «продавливают» эту ткань, и другие тела движутся по образовавшимся искривлениям — это мы и воспринимаем как гравитационное притяжение. Помните знаменитую аналогию с шаром для боулинга на натянутом батуте? Это оно и есть, только в четырех измерениях.

Эта концепция оказалась невероятно успешной. ОТО точно предсказала множество явлений, от отклонения света звезд вблизи Солнца до существования черных дыр и гравитационных волн. Казалось бы, зачем ломать то, что так прекрасно работает?

Квантовый вызов и трещины в фундаменте

Проблема, как это часто бывает в физике, пришла со стороны квантовой механики — другой великой теории XX века, описывающей мир на микроскопическом уровне атомов и элементарных частиц. Десятилетиями физики бьются над созданием «теории всего», которая бы объединила ОТО и квантовую механику. И именно здесь пространство-время начинает создавать серьезные трудности.

Основная загвоздка в том, как «сквантовать» гравитацию. Если гравитация — это свойство пространства-времени, то для создания квантовой теории гравитации необходимо, чтобы и само пространство-время имело квантовую природу. Но что это значит?

При попытке применить стандартные методы квантования к ОТО на очень малых масштабах — так называемой планковской длине (примерно 10^-35 метра, что невообразимо меньше размера протона) — уравнения начинают выдавать бессмысленные, бесконечные значения. Это явный сигнал, что на этих ультрамикроскопических уровнях наше привычное представление о гладком, непрерывном пространстве-времени попросту перестает работать. Оно словно «зернит» или распадается на некие дискретные элементы.

Черные дыры шепчут о чем-то большем

Еще одним мощным аргументом против фундаментальности пространства-времени служат черные дыры. Эти загадочные объекты, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться, ставят перед физиками неудобные вопросы. С одной стороны, ОТО описывает их как сингулярности — точки бесконечной плотности, где кривизна пространства-времени устремляется в бесконечность. Но что это значит на самом деле?

С другой стороны, благодаря работам Стивена Хокинга и Якоба Бекенштейна, мы знаем, что черные дыры обладают температурой и энтропией. Энтропия — это мера беспорядка или, точнее, количества микроскопических состояний, которыми может быть реализовано макроскопическое состояние системы. Если у черной дыры есть энтропия, значит, она должна состоять из каких-то «микроскопических деталей». Но из чего, если черная дыра — это, по сути, экстремально искривленное пространство-время? Это наводит на мысль, что само пространство-время может быть не фундаментальной сущностью, а неким коллективным, эмерджентным свойством, возникающим из более базовых «строительных блоков».

На поиски первооснов: струны, петли и квантовая пена

Именно эта идея — что пространство-время не фундаментально, а «соткано» из чего-то более простого — лежит в основе многих современных подходов к квантовой гравитации.

• Теория струн, например, предполагает, что фундаментальными объектами являются не точечные частицы, а одномерные «струны» и многомерные «браны», колебания которых мы воспринимаем как различные частицы и силы. В этой картине пространство-время возникает как своего рода коллективный эффект взаимодействия этих струн, причем оно может иметь больше измерений, чем привычные нам четыре.
• Петлевая квантовая гравитация идет другим путем. Она предполагает, что само пространство-время дискретно и состоит из квантовых «атомов» пространства, сплетенных в структуру, называемую спиновой сетью. Динамика этих сетей порождает то, что мы называем спиновой пеной — квантовую версию пространства-времени.
• Некоторые исследователи предполагают, что геометрия пространства-времени может возникать из квантовой запутанности — удивительного свойства, связывающего частицы на расстоянии. Представьте себе, что мир — это гигантская сеть запутанных квантовых битов, а пространство-время — это способ описания связей в этой сети.
• Существуют и совсем уж экзотические идеи, вроде «амплитуэдра» (в оригинале «cosmohedron» — термин, популяризированный Нима Аркани-Хамедом и Ярославом Трнкой, но его прямой перевод может быть менее благозвучен; «амплитуэдр» используется для описания геометрических структур, упрощающих расчеты амплитуд рассеяния в квантовой теории поля). Это абстрактный математический объект, который позволяет вычислять вероятности взаимодействий частиц без упоминания пространства-времени, напрямую связывая начальные и конечные состояния.

Что это значит для нас?

Кажется, что большинство физиков, работающих на переднем крае, если и не готовы полностью «отменить» пространство-время, то все больше склоняются к мысли, что оно не является последним словом в описании реальности. Как выразился Лэтем Бойл, «если бы меня заставили сделать ставку, я бы, пожалуй, поставил на то, что пространство-время эмерджентно».

Но стоит ли нам, обычным людям, беспокоиться о том, что ткань реальности может оказаться не тем, чем кажется? На повседневном уровне — абсолютно нет. Законы Ньютона прекрасно описывают полет мяча, а ОТО — движение планет и работу GPS-навигаторов. Пространство-время остается чрезвычайно полезной и точной концепцией в тех масштабах, с которыми мы имеем дело.

Однако на фундаментальном уровне это вопрос о самой сути бытия. Если пространство-время действительно производно, то что же лежит в его основе? Понимание этого может привести к революции в физике, сопоставимой с созданием теории относительности или квантовой механики.

В начале XX века мало кто мог предсказать, что абстрактные идеи Эйнштейна о едином пространстве-времени найдут практическое применение в таких технологиях, как GPS. Кто знает, какие невероятные открытия и технологии ждут нас, если удастся разгадать загадку истинной природы реальности, скрывающейся «под» привычным нам пространством-временем? Одно ясно: путешествие к этим фундаментальным истинам только начинается, и оно обещает быть невероятно увлекательным. А мы, затаив дыхание, будем следить за тем, как рушатся старые парадигмы и рождаются новые, еще более удивительные представления о Вселенной.