Вы здесь

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности


12 Мир на струне


ТКАНЬ В СООТВЕТСТВИИ С ТЕОРИЕЙ СТРУН

Представьте вселенную, в которой чтобы понять что-либо, вам необходимо понять все. Вселенная, в которой чтобы сказать что-нибудь о том, почему планета вращается вокруг звезды, о том, почему бейсбольный мяч летит по определенной траектории, о том, как работает магнит или батарея, о том, как действует свет или гравитация, – вселенная, в которой, чтобы сказать что-нибудь о чем-нибудь, – вам было бы необходимо открыть самые фундаментальные законы и определить, как они действуют на тончайшие составляющие материи. К счастью, такая вселенная не является нашей вселенной.

Если бы это было, тяжело было бы представить, как наука вообще могла бы двигать любой прогресс. В течение столетий причина, по которой мы были в состоянии осуществлять движение вперед, была в том, что мы могли работать по частям; мы были в состоянии распутывать тайны шаг за шагом, с каждым новым открытием продвигаясь на йоту глубже, чем раньше. Ньютону не нужно было знать про атомы, чтобы сделать великий шаг в понимании движения и гравитации. Максвеллу не нужно было знать про электроны и другие заряженные частицы, чтобы разработать мощную теорию электромагнетизма. Эйнштейну не нужно было обращаться к изначальному воплощению пространства и времени, чтобы сформулировать теорию о том, как они искривляются с помощью гравитационных сил. Вместо этого, каждый из этих открывателей, точно так же, как многие другие, которые подвели основу под нашу современную концепцию космоса, действовали в рамках ограниченного контекста, который без смущения оставлял без ответа массу основополагающих вопросов. Каждое открытие было в состоянии внести свой собственный кусочек в головоломку, даже если никто не знал, – и мы все еще не знаем, – какая великая синтезированная картина заключает в себе все кусочки головоломки.

Тесно связанное с этим наблюдение заключается в том, что хотя сегодня наука резко отличается от науки даже пятьдесят лет назад, было бы неоправданным упрощением обобщать научный прогресс в терминах новых теорий, низвергнувших своих предшественниц. Более корректное описание заключается в том, что каждая новая теория усовершенствует свою предшественницу, обеспечивая более точную и более далеко простирающуюся схему. Ньютоновская теория гравитации была заменена ОТО Эйнштейна, но было бы наивным говорить, что ньютоновская теория не верна.

В области объектов, которые нигде не двигаются почти так же быстро, как свет, и нигде не производят гравитационных полей, почти таких же сильных, как у черных дыр, теория Ньютона фантастически точна. Это еще не говорит о том, что теория Эйнштейна является второстепенным вариантом ньютоновской; в ходе усовершенствования ньютоновского подхода к гравитации Эйнштейн выработал целую новую концептуальную схему, одну из тех, что радикально изменяет наши представления о пространстве и времени. Но сила ньютоновского открытия в рамках области, для которой оно предназначено (движение планет, типичные земные движения и так далее), неоспорима.

Мы представляем каждую новую теорию, как подводящую нас ближе к трудной цели достижения истины, но имеется ли конечная теория, – теория, которая не может быть дальше уточнена, поскольку она полностью раскрывает работу вселенной на самом глубоком возможном уровне, – на этот вопрос никто не может ответить. Даже при этих условиях картина, вырисовывающаяся в течение последних трехсот лет открытий, дает дразнящие свидетельства, что такая теория может быть разработана. Вообще говоря, каждый новый прорыв собирает широкий спектр физических явлений под несколькими теоретическими зонтиками. Открытия Ньютона показали, что силы, управляющие планетарным движением, являются теми же силами, которые управляют движением падающих объектов здесь на Земле. Открытия Максвелла показали, что электричество и магнетизм являются двумя сторонами одной монеты. Открытия Эйнштейна показали, что пространство и время так же неразделимы, как прикосновение и золото Мидаса. Открытия поколения физиков в начале двадцатого века установили, что мириады загадок микрофизики могут быть точно объяснены с использованием квантовой механики. Относительно недавние открытия Глэшоу, Салама и Вайнберга показали, что электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие являются двумя проявлениями единого взаимодействия – электрослабого взаимодействия, – и имеются даже пробные, косвенные доказательства, что сильное ядерное взаимодействие может быть присоединено к электрослабому в еще более великом синтезе.[1] Собирая все это вместе, мы видим картину, которая движется от сложности к простоте, картину, которая движется от разделения к единству. Направления объяснений кажутся сходящимися в мощную схему, которую еще предстоит открыть и которая объединит все силы природы и всю материю в рамках одной теории, способной описать все физические явления.

Альберт Эйнштейн, который более трех десятилетий пытался объединить электромагнетизм и ОТО в одну теорию, справедливо ассоциируется с началом современных поисков единой теории. Долгий период в течение этих десятилетий он был единственным исследователем такой единой теории, и его страстный, хотя и одинокий поход отделил его от главного потока физического сообщества. Однако, в течение последних двадцати лет произошло драматическое возрождение похода к единой теории; одинокая мечта Эйнштейна стала движущей силой для целого поколения физиков. Но из-за открытий, произошедших со времен Эйнштейна, сместился фокус. Даже если мы еще не имеем успешной теории, объединяющей сильное ядерное и электрослабое возаимодействие, все эти три вида сил (электромагнитные, слабые, сильные) описываются на одном едином языке, основанном на квантовой механике. Но ОТО, наша наиболее совершенная теория четвертой силы, стоит в стороне от этой схемы. ОТО является классической теорией: она не включает никакие вероятностные концепции квантовой теории. Главная цель современной программы унификации заключается, следовательно, в объединении ОТО и квантовой механики и в описании всех четырех сил в рамках одной и той же квантовомеханической схемы. Это оказалось одной из самых трудных проблем, с которыми когда-либо сталкивалась теоретическая физика.

Давайте посмотрим, почему.

Квантовые дрожания и пустое пространство

Если мне надо выделить одно наиболее памятное свойство квантовой механики, я выбираю принцип неопределенности. Вероятности и волновые функции определенно обеспечивают радикально новую схему, но именно принцип неопределенности заключает в себе разрыв с классической физикой. Вспомним, что в семнадцатом и восемнадцатом веках ученые были уверены, что полное описание физической реальности заключается в спецификации положений и скоростей каждой составляющей материи, заполняющей космос. А с появлением концепции поля в девятнадцатом веке и ее последующим применением к электромагнитным и гравитационным силам этот взгляд был дополнен включением величины каждого поля – то есть, напряженности каждого поля, – и темпа изменения величины каждого поля в каждом месте пространства. Но к 1930м принцип неопределенности демонтировал эту концепцию реальности, показав, что вы никогда не можете знать сразу положение и скорость частицы; вы никогда не можете знать сразу величину поля в данном месте пространства и то, как быстро величина поля изменяется. Квантовая неопределенность запрещает это.

Как мы обсуждали в последней главе, эта квантовая неопределенность обеспечивает, что микромир является турбулентной и дрожащей областью. Ранее мы обращали внимание на индуцированные неопределенностью квантовые дрожания поля инфлатона, но квантовая неопределенность применима ко всем полям. Электромагнитное поле, поля сильного и слабого ядерных взаимодействий и гравитационное поле все подвергаются бешеным квантовым скачкам-дрожаниям на микроскопическом масштабе. Фактически, эти дрожания полей существуют даже в пространстве, которое вы обычно воспринимаете как пустое, в пространстве, которое кажется не содержащим ни материи, ни полей. Это идея критической важности, но если вы не сталкивались с ней ранее, она, естественно, будет загадочной. Если регион пространства ничего не содержит – если это вакуум – то не означает ли это, что там нечему дрожать? Ну, мы уже изучили, что концепция пустоты тонкая. Просто подумайте об океане Хиггса, который, как утверждает современная теория, пронизывает пустое пространство. Квантовые дрожания я теперь обозначаю как служащие только для того, чтобы сделать понятие "ничто" еще более тонким. Вот, что я имею в виду.

В предквантовой (и пред-Хиггсовой) физике мы объявляли регион пространства полностью пустым, если он не содержал частиц и величина каждого поля была однородно нулевой.*

(*) "Для простоты изложения мы будем рассматривать только поля, которые достигают своей наименьшей энергии, когда их величина равна нулю. Обсуждение других полей – полей Хиггса – идентично, за исключением того, что поля флуктуируют вокруг ненулевой величины поля с минимальной энергией. Если вы хотите сказать, что регион пространства пуст, только если там не присутствует материя и все поля отсутствуют, а не только имеют величину нуль, смотрите секцию комментариев.[2]"

Теперь подумаем об этом классическом определении пустоты в свете квантового принципа неопределенности. Если поле имело и сохраняло исчезающе малую величину, мы будем знать его величину – нуль – а также темп изменения его величины – тоже нуль. Но в соответствии с принципом неопределенности невозможно, чтобы оба эти свойства были определены. Вместо этого, если поле имеет определенную величину в некоторый момент, нуль в нашем случае, принцип неопределенности говорит нам, что темп его изменения полностью случаен. А случайный темп изменения означает, что в следующие моменты величина поля будет хаотически дергаться вверх и вниз, даже в месте, которое мы обычно полагаем полностью пустым пространством. Так что интуитивное понятие пустоты как места, в котором все поля имеют и сохраняют нулевую величину, несовместимо с квантовой механикой. Величина поля может скакать вокруг величины нуль, но она не может быть однородно равной нулю во всей области более чем на мгновение.[3] На техническом языке физики говорят, что поля подвержены вакуумным флуктуациям.

Хаотичная природа флуктуаций вакуумного поля подразумевает, что во всех регионах, за исключением самых микроскопических, имеется так же много скачков "вверх", как и "вниз", а потому они усредняются к нулю, почти как мраморная поверхность выглядит совершенно гладкой для невооруженного глаза, даже если электронный микроскоп обнаруживает, что она зазубренная на микроскопических масштабах. Тем не менее, даже если мы не можем увидеть это непосредственно, более чем полстолетия назад реальность дрожаний квантового поля даже в пустом пространстве была окончательно установлена через простое, но глубокое открытие.

В 1948 датский физик Хендрик Казимир вычислил, как вакуумные флуктуации электромагнитного поля могут быть экспериментально обнаружены. Квантовая теория говорит, что дрожания электромагнитного поля в пустом пространстве будут иметь различную форму, как проиллюстрировано на Рис. 12.1а. Прозрение Казимира заключалось в осознании того, что, разместив две обычные металлические пластины в пустой в иных отношениях области, как на Рис. 12b, можно индуцировать тонкую модификацию этих вакуумных дрожаний поля. А именно, квантовые уравнения показывают, что в области между пластинами не будет нескольких флуктуаций (допустимы только те флуктуации электромагнитного поля, чьи величины исчезают в местоположении каждой пластины). Казимир проанализировал следствия такого ограничения в дрожаниях поля и нашел нечто экстраординарное.

(а) (b)

Рис 12.1 (а) Вакуумные флуктуации электромагнитного поля, (b) Вакуумные флуктуации между двумя металлическими пластинами и они же вне пластин.

 Почти как уменьшение количества воздуха в области создает дисбаланс давлений (например, на большой высоте вы можете почувствовать разрежение воздуха, оказывающее меньшее давление вне ваших ушных раковин), уменьшение квантовых дрожаний поля между пластинами также дает дисбаланс давления: квантовые дрожания поля между пластинами становятся чуть-чуть слабее, чем вне пластин, и этот дисбаланс двигает пластины друг к другу.

Страницы


В нашей электронной онлайн библиотеке вы можете бесплатно и без регистрации прочитать «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности» автора Грин Брайан на телефоне, андроиде, айфоне, айпаде. Сейчас вы находитесь в разделе „IV Первоисточники и объединение“ на странице 1. Приятного чтения.