Вселенной нужен дефект времени, чтобы спасти гравитацию: почему признание сбоев в пространстве-времени заменяет теорию струн

В 2023 году британский физик-теоретик Джонатан Оппенгейм заключил публичное пари со своими коллегами — Карло Ровелли из Марсельского университета и Джеффом Пенингтоном из Калифорнийского университета в Беркли. Условия пари примечательны: если Оппенгейм окажется прав, оппоненты заплатят ему тысячу фунтов стерлингов, а если проиграет, он отдаст им всего двадцать пенсов. Коэффициент пять тысяч к одному отражает расстановку сил в современной фундаментальной науке: Оппенгейм выступил против идеи, которую подавляющее большинство исследователей считает аксиомой.

Предмет спора — природа гравитации и самого устройства Вселенной. Ровелли, Пенингтон и почти все мировое сообщество физиков убеждены, что пространство, время и гравитация в конечном счете должны подчиняться законам квантовой механики. Оппенгейм утверждает обратное: пространство-время непрерывно, его нельзя разложить на кванты, а попытки сделать это завели науку в полувековой тупик.

Чтобы объединить классическую гравитацию с миром элементарных частиц, Оппенгейм создал «постквантовую теорию гравитации». Она отказывается от усложнения геометрии Вселенной, но требует признать сложный факт: на фундаментальном уровне пространство и ход времени нестабильны и содержат в себе неустранимую случайность.

Главный конфликт современной науки

Современная физика держится на двух базовых теориях, созданных в начале XX века: общей теории относительности Альберта Эйнштейна и квантовой механике. Обе теории проверены бесчисленными экспериментами и обладают исключительной предсказательной точностью. Однако между ними существует непреодолимое концептуальное противоречие.

Квантовая механика изучает микромир — атомы, элементарные частицы и их взаимодействия. Она оперирует дискретными величинами: энергия здесь передается отдельными фиксированными порциями (квантами). Поведение частиц описывается волновой функцией. До тех пор, пока над частицей не произведено физическое измерение, она находится в состоянии суперпозиции, то есть может обладать несколькими взаимоисключающими характеристиками одновременно — например, находиться в разных точках пространства с определенной вероятностью. На квантовых принципах работают три из четырех фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, сильное ядерное (удерживающее ядра атомов) и слабое ядерное (отвечающее за радиоактивный распад). Во всех трех случаях взаимодействие между объектами происходит через обмен частицами-переносчиками — фотонами, глюонами и бозонами.

Общая теория относительности работает на совершенно иных принципах. Она описывает четвертую фундаментальную силу — гравитацию, которая управляет макромиром: движением планет, звезд, галактик и развитием всей Вселенной. В теории Эйнштейна гравитация не передается частицами. Пространство и время представляют собой непрерывную геометрическую структуру — четырехмерный пространственно-временной континуум. Любой объект, обладающий массой или энергией, искривляет эту структуру вокруг себя. Другие тела, двигаясь вблизи этой массы, просто следуют кратчайшим траекториям в искривленном пространстве.

Пока эти две теории применяются к своим непосредственным областям, проблем не возникает. Законы квантовой механики объясняют стабильность химических связей внутри твердых тел, а законы относительности рассчитывают орбиты космических аппаратов. Но когда физики пытаются описать явления, где колоссальная масса сосредоточена в микроскопическом объеме — например, в сингулярностях черных дыр или в момент зарождения Вселенной при Большом взрыве, — математический аппарат обеих теорий дает сбой. Расчеты приводят к бессмысленным результатам: вероятности событий становятся больше единицы, а плотность и искривление пространства стремятся к бесконечности.

Тупик квантования: лишние измерения и невидимые зерна

Поскольку три взаимодействия из четырех являются квантовыми, физики логично предположили, что и гравитация обязана иметь квантовую природу. Если бы удалось доказать, что гравитационное поле тоже состоит из отдельных частиц — гравитонов, физика получила бы единое описание всех процессов во Вселенной. Попытки решить эту задачу продолжаются уже больше семидесяти лет.

В результате этих попыток возникло два главных теоретических направления:

1. Теория струн. Согласно этой концепции, фундаментальными элементами мироздания являются не точечные частицы, а ультрамикроскопические вибрирующие одномерные нити (струны). В зависимости от частоты и моды их вибрации мы наблюдаем ту или иную элементарную частицу, включая гипотетический гравитон. Чтобы уравнения теории струн сошлись и избавились от математических аномалий, физикам пришлось ввести в модель дополнительные пространственные измерения. В различных версиях теории Вселенная должна обладать десятью, одиннадцатью или даже двадцатью шестью измерениями, большинство из которых свернуты в микроскопические структуры и потому ненаблюдаемы.
2. Петлевая квантовая гравитация. Сторонники этой теории пошли по пути дробления самого пространства. Они утверждают, что пространство-время дискретно и состоит из неделимых геометрических ячеек масштаба порядка 10^−35 метра (планковская длина). Пространство в этой модели образует сеть взаимосвязанных квантовых петель, а объем и площадь принимают строго фиксированные дискретные значения.

Несмотря на математическую изощренность, оба подхода столкнулись с проблемой отсутствия экспериментальной проверки. Планковская длина, на которой должны проявляться квантовые свойства пространства, недосягаема для современных приборов. Чтобы разогнать частицы до энергий, позволяющих исследовать такие расстояния, потребовался бы ускоритель размером с галактику. Физика оказалась в ситуации, когда сложные теоретические построения не могут быть подтверждены или опровергнуты реальными измерениями.

Альтернатива Оппенгейма: оставить геометрию непрерывной

Джонатан Оппенгейм предложил пересмотреть саму постановку задачи. Он задал вопрос: действительно ли необходимо квантовать гравитацию? Что произойдет, если оставить пространство-время классическим — непрерывным, гладким и подчиняющимся уравнениям Эйнштейна, но заставить его корректно взаимодействовать с квантовыми объектами?

Сам ученый называет свой подход максимально консервативным, поскольку он не требует изобретения скрытых измерений или новых гипотетических частиц. Однако объединить классическую систему с квантовой чрезвычайно трудно с логической точки зрения.

Причина кроется в феномене пространственной суперпозиции. Представим микроскопический объект, масса которого достаточна для создания измеримого гравитационного притяжения. По законам квантовой механики этот объект можно перевести в состояние, при котором он находится одновременно в двух разных точках — условно, слева и справа.

Если такой квантовый объект находится в суперпозиции, возникает вопрос: откуда именно исходит его гравитационное поле? Возникают две возможности, и обе они ранее заводили физиков в тупик:

• Первый вариант: гравитационное поле исходит одновременно из обеих точек. Но если поле разделяется и существует одновременно в двух местах, это означает, что само гравитационное поле находится в состоянии суперпозиции. Следовательно, оно подчиняется законам квантовой механики, а значит, гравитация квантована.
• Второй вариант: гравитационное поле не может находиться в суперпозиции и должно исходить только из одной точки — например, слева. Но это порождает логический сбой: гравитационное поле еще до измерения «знает», в какой именно позиции материализуется объект, когда его волновая функция схлопнется. Это прямо нарушает принцип неопределенности — фундаментальное правило квантовой физики, запрещающее системе обладать скрытой определенностью до момента измерения.

В течение десятилетий этот мыслительный эксперимент считался прямым доказательством того, что классическая гравитация несовместима с квантовой механикой.

Цена решения: фундаментальная случайность пространства и времени

Оппенгейм нашел математическое решение этого парадокса. Его расчеты показали: согласовать классическое гравитационное поле с квантовой суперпозицией возможно, если ввести в уравнения фундаментальные флуктуации координат пространства-времени.

В постквантовой теории гравитации пространство и время перестают быть статичной, жесткой системой отсчета. Их метрические свойства непрерывно испытывают микроскопические случайные колебания. Это не погрешность измерений и не результат влияния внешних факторов — это врожденное, фундаментальное свойство Вселенной.

В такой модели ход времени теряет строгую равномерность. Временные интервалы между процессами на микроуровне испытывают стохастические (случайные) отклонения.

Именно эти флуктуации устраняют противоречие с пространственной суперпозицией:

1. Когда объект находится одновременно в двух точках, он действительно оказывает гравитационное воздействие на окружающую среду.
2. Однако случайные колебания самого пространства-времени постоянно вносят помехи в квантовую систему.
3. Эти непрерывные флуктуации приводят к быстрой дефазировке квантовых состояний — процессу, известному как квантовая декогеренция. Пространство-время само по себе заставляет волновую функцию объекта быстро схлопнуться в одно из двух возможных положений.

Таким образом, гравитационному полю больше не нужно ни делиться на квантовые состояния, ни «знать» будущее заранее. Случайный шум самого пространства производит измерение естественным образом, не нарушая квантовых законов.

Этот вывод вызвал настороженность у многих физиков. Идея о том, что во Вселенной существуют фундаментальные процессы, не имеющие под собой конкретной физической причины, вступает в противоречие с традиционным стремлением науки к детерминированному описанию мира. Кто-то отметил, что отсутствие физического источника у этих флуктуаций делает теорию неполной.

Оппенгейм соглашается с этой критикой — наличие этих непредсказуемых колебаний противоречит интуитивному представлению о том, что у любого события должна быть причина. Тем не менее, более простые методы объединения теорий не дали результата. Возможно, это та цена, которую необходимо заплатить за объединение квантовой механики и гравитации.

Ответы на сопутствующие загадки: правило Борна и темная материя

Хотя идея случайных флуктуаций пространства-времени выглядит вынужденной уступкой, она неожиданно позволила объяснить два давних феномена, не связанных напрямую с исходной задачей.

1. Естественное появление правила Борна

В стандартной квантовой механике вероятность обнаружить частицу в конкретной точке вычисляется по так называемому правилу Борна: она пропорциональна квадрату абсолютного значения волновой функции. Это математическое правило было сформулировано Максом Борном почти сто лет назад. Все расчеты квантовой механики опираются на него, однако в рамках самой квантовой теории у этого правила нет теоретического обоснования — его принимают как данность, эмпирический постулат.

В уравнениях Оппенгейма правило Борна перестает быть внешней аксиомой. Оно автоматически выводится из математического аппарата взаимодействия квантовой материи со случайно колеблющимся временем. То, что физики принимали на веру на протяжении века, оказалось математическим следствием стохастической геометрии Вселенной.

2. Проблема темной материи

Второй неожиданный результат касается астрофизики. Еще в 1930-х годах астрономы заметили, что внешние области галактик вращаются вокруг своих центров со скоростью, которую невозможно объяснить гравитационным притяжением видимого вещества — звезд, газа и пыли. Согласно законам механики, эти галактики должны были бы разлетаться на части. Чтобы объяснить стабильность галактик, ученые ввели понятие «темной материи» — гипотетической субстанции, которая не взаимодействует со светом, но создает гравитационное притяжение. Согласно современным космологическим моделям, масса темной материи в пять раз превышает массу всего обычного вещества во Вселенной. Однако за десятилетия поисков ни один прямой детектор так и не зафиксировал частицы темной материи.

В работе, опубликованной весной 2024 года, Оппенгейм и его коллеги показали, что постквантовая гравитация меняет поведение гравитационных полей на больших дистанциях. Случайные флуктуации пространства-времени, ничтожно малые на уровне атомов, при масштабировании на размеры галактик накапливаются.

Статистическое суммирование этих колебаний на расстояниях в десятки тысяч световых лет приводит к возникновению дополнительной силы притяжения. Галактики удерживаются от распада не скрытой массой невидимых частиц, а модифицированной силой тяготения, вызванной нестабильностью самого пространства-времени. Если расчеты Оппенгейма подтвердятся астрономическими наблюдениями, необходимость в темной материи отпадет: наблюдаемые эффекты окажутся результатом накопления микроскопических дефектов геометрии космоса.

Спор исследователей: прогресс или шаг назад

Постквантовая модель вызвала жесткую реакцию среди ведущих теоретиков. Карло Ровелли, один из главных создателей петлевой квантовой гравитации, подверг модель Оппенгейма резкой критике. По его мнению, отказ от квантования пространства-времени нарушает базовую логику развития науки: «Почему мы должны называть прогрессом откат назад от того, что мы уже поняли? Это аналогично разработке теорий, в которых Земля перестает вращаться вокруг Солнца». Ровелли убежден, что общая теория относительности и квантовая механика не могут быть соединены половинчатыми мерами — квантовать необходимо все компоненты мироздания.

Оппенгейм категорически не согласен с обвинениями в архаичности: модель не отменяет квантовую механику и теорию относительности, а расширяет их, попутно решая проблему скрытых постулатов вроде правила Борна.

Однако в споре существует и третья позиция, которую выражают физики-экспериментаторы. Они указывают, что главная сила модели Оппенгейма — не в ее теоретической красоте, а в ее проверяемости.

Лабораторный вердикт: как проверить теорию на опыте

В отличие от теории суперструн, требующей недостижимых мощностей, постквантовую гравитацию можно проверить с помощью прецизионных экспериментов, технологии для которых уже создаются.

В Университетском колледже Лондона создан Институт квантовой информации и пространства-времени имени Дэвида Поттера. Под руководством физика-экспериментатора Сугато Бозе и самого Оппенгейма там разрабатываются методы прямой проверки природы гравитационного поля.

Ученые планируют провести три ключевых эксперимента:

1. Проверка через разрушение квантовой запутанности

Физики планируют взять два наноразмерных кристалла, охладить их почти до абсолютного нуля, чтобы исключить тепловое движение атомов, и перевести их в состояние квантовой запутанности. При таком состоянии физические свойства двух объектов остаются жестко взаимосвязанными, даже если разделить их в пространстве.

Затем эти частицы изолируют от всех внешних электромагнитных полей, чтобы они взаимодействовали исключительно через силу взаимного гравитационного притяжения. Если гравитация квантовая, она сможет поддерживать квантовую запутанность между объектами. Но если гравитация носит классический характер и сопровождается случайными флуктуациями, как предсказывает Оппенгейм, квантовая связь будет неизбежно разрушена. Наличие или отсутствие запутанности после гравитационного взаимодействия станет однозначным ответом на вопрос о квантовой природе тяготения.

2. Измерение времени жизни суперпозиции

Если поместить изолированный микрообъект в суперпозицию двух пространственных состояний и приложить к нему гравитационное поле, время его нахождения в суперпозиции будет напрямую зависеть от природы этого поля. В чисто квантовой гравитации суперпозиция может сохраняться достаточно долго. В модели Оппенгейма стохастический шум пространства-времени заставит волновую функцию схлопнуться в одно фиксированное положение за строго определенный, короткий интервал времени. Эксперимент заключается в статистическом измерении скорости этого схлопывания.

3. Анализ реликтового гравитационно-волнового фона

Если пространство-время испытывает непрерывные случайные колебания, в ранней Вселенной эти процессы должны были породить хаотический фон гравитационных волн, заполняющий все космическое пространство.

Существующие гравитационно-волновые детекторы — такие как LIGO в США и Virgo в Италии — создавались для фиксации мощных всплесков от слияния черных дыр и нейтронных звезд. Однако параллельно они ведут поиск слабого фонового стохастического сигнала. До сих пор детекторы не зафиксировали этот шум, что уже позволило наложить жесткие физические ограничения на допустимые параметры теории Оппенгейма. Модель не имеет большого количества свободных переменных, поэтому дальнейшее повышение чувствительности детекторов способно полностью исключить теорию, если шум не будет обнаружен в заданном частотном диапазоне.

Значение для картины мира

Эксперименты с наночастицами требуют сложнейшей изоляции от вибраций, теплового излучения и блуждающих электромагнитных полей. На подготовку окончательных измерений уйдет от нескольких лет до десятилетия.

Однако появление постквантовой гравитации обозначает важный сдвиг в методологии фундаментальной физики. На протяжении полувека наука двигалась по пути усложнения: к базовой реальности добавлялись скрытые измерения, микроскопические структуры и гипотетические поля, которые невозможно обнаружить опытным путем.

Теория Джонатана Оппенгейма предлагает вернуться к фундаментальному требованию естествознания — экспериментальной фальсифицируемости. Она не пытается переписать основы геометрии Эйнштейна, а берет уже доказанные свойства гравитации и соединяет их с квантовой физикой через признание того, что Вселенная на базовом уровне не абсолютно детерминирована.

Если запланированные эксперименты покажут, что гравитация способна передавать квантовую запутанность, постквантовая модель будет немедленно опровергнута, и наука окончательно подтвердит необходимость квантования пространства. Если же подтвердится классический стохастический характер гравитационного поля, физикам придется кардинально пересмотреть представления об устройстве реальности. В любом случае, исход этого спора определит направление развития фундаментальной науки на десятилетия вперед.