Краткая теория времени - Карло Ровелли
Но эта научная революция была не единственным открытием, опрокинувшим устои физики в XX веке. Квантовая механика тоже изменила наши представления об объектах и материи.
Квантовая механика
Понятие объекта, фундаментальное в теории Ньютона, изменилось благодаря достижениям Фарадея и Максвелла. Мир теперь состоял не только из частиц, то есть маленьких плотных «шариков», но и из полей – протяженных, рассеянных сущностей. Однако еще более радикальными были перемены, которым подвергла понятие объекта квантовая механика. Это случилось благодаря долгим и трудным экспериментальным исследованиям атомов, излучения и света, благодаря эпическим баталиям (герои которых – Макс Планк, опять-таки Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Поль Дирак). Теперь можно было сказать, что общее ви́дение материи, ньютоновская механика, неприложимы к микроскопическим объектам. Там их следует заменять квантовой механикой.
Эта новая механика принесла с собой две огромные перемены. Во-первых, в мире очень малых объектов всюду сталкиваешься с «зернистостью», или дискретностью. К примеру, скорость микроскопического объекта, локализованного в пространстве, не может иметь произвольное значение. Она может принимать только определенные значения, и тогда говорят, что скорость «квантована». Такой дискретный характер имеет множество физических величин. Энергия атома, например, не может быть произвольной, она должна принимать вполне определенные значения (соответствующие энергетическим уровням атома). Их можно вычислить исходя из общих принципов. Иными словами, все происходит так, как если бы энергия была раздробленной, складывалась из отдельных «сгустков», или квантов. То же самое и с полями. Электромагнитное поле, которое можно представить себе как совокупность подвижных линий, не является непрерывным, если его рассматривать на уровне очень малых величин. Оно проявляет себя в виде маленьких «комков» энергии – вроде зерен или квантов, – которые называют фотонами.
Новизна квантовой механики еще и в том, что во всех движениях есть компонент случайности, внутренней неопределенности. В противоположность тому, что утверждал Ньютон, состояние частицы в данный конкретный момент не может точно определять того, что случится с ней в последующее мгновение. На микроскопическом уровне происходящее с объектами подчинено законам вероятности. Можно высчитать вероятность того, что нечто произойдет (и оно произойдет в точно указанном числе случаев, если провести очень большое количество испытаний), но с полной достоверностью предсказать будущее нельзя. Теперь мы имеем дело не с детерминистской динамикой предопределенности, а с вероятностной динамикой возможного. Поэтому нельзя точно описать положение частицы – лишь «облако» всех вероятностей, вычисленных для каждого возможного ее положения. Там, где это облако наиболее густое, наиболее велика вероятность обнаружить частицу (или фотон). Движение частицы становится «эволюцией вероятности» ее положения в пространстве.
Непрерывность и детерминизм, два столпа классических представлений о материи, остались в прошлом. Если рассматривать мир более пристально, он становится дискретным и вероятностным.
Вот чему мы научились благодаря двум революциям в научной мысли начала XX века.
Квантовая гравитация
Наконец мы приблизились к корню проблемы квантовой гравитации. Что произойдет, если попытаться скомбинировать то, что мы знаем из квантовой механики, с тем, что мы знаем из общей теории относительности? С одной стороны, Эйнштейн открыл, что пространство – это поле сродни электромагнитному. С другой стороны, квантовая механика учит нас, что всякое поле состоит из квантов и что описать его можно только как «облако вероятностей» этих квантов. Если соединить две эти идеи, незамедлительно следует, что пространство, то есть гравитационное поле, тоже имеет зернистую структуру, в точности как электромагнитное поле. Значит, должны существовать «зерна пространства». Более того, динамика этих зерен не предопределенная, а вероятностная. Следовательно, пространство должно быть описано как «облако вероятности зерен пространства». Это несколько головокружительная концепция, очень далекая от нашего повседневного восприятия, но однако же это видение мира, основанное на лучших теориях. Пространства-ящика во вкусе Ньютона больше не существует. Пространство – это подвижное поле волн, и оно состоит из отдельных «зерен», подчиняющихся вероятностным законам.
Но что это может означать – «зерна» пространства? Как их можно описать? Какими математическими средствами? Каким уравнениям они подчинены? Что означает фраза «облако вероятности зерен пространства»? Что из такого определения следует для наших наблюдений и измерений? Вот в чем сложность квантовой гравитации: нужно построить математическую теорию, описывающую эти «облака вероятности зерен пространства», и понять, что́ это все означает.
Но это лишь часть проблемы. С 1905 года, даты рождения специальной теории относительности, Эйнштейн установил и то, что пространство и время нельзя описывать по отдельности: они напрямую связаны одно с другим и образуют нераздельное единство, пространство-время. Пространство чувствительно к наличию масс и изменяется под их воздействием, но то же самое происходит и с временем. То, как протекает время, зависит от наличия и движения тел. До сих пор я говорил, что понятие пространства следует заменить понятием гравитационного поля, но это не совсем точно. На самом деле именно понятие пространства-времени следует заменить понятием гравитационного поля. А значит, пространство-время, а не одно только пространство, должно стать дискретным и вероятностным. Тогда что же такое вероятностное время?
Чтобы понять новую теорию, мы должны выстроить модель мышления, не имеющую ничего общего с нашим повседневным восприятием пространства и времени. Следует представить себе мир, в котором время больше не непрерывное и текущее, а представляет собой нечто совсем иное, основанное на этом облаке вероятности зерен пространства-времени.
Такова исключительная и нерешенная проблема, на существование которой я наткнулся, будучи студентом четвертого курса.
Мы с друзьями писали книгу о студенческой революции, которая не понравилась полиции (мне пришлось выдержать допрос в комиссариате Вероны: «Назови имена своих друзей-коммунистов!»). Тем временем я все больше и больше погружался в изучение пространства и времени, пытаясь понять картины мироздания, предлагавшиеся до сих пор.
Мне удалось поступить в докторантуру Падуанского университета, и я выбрал в научные руководители профессора, который не особо внимательно относился к моей работе, но дал мне возможность продолжать изыскания в том направлении, в каком я хотел. Время работы над диссертацией я посвятил систематическим исследованиям всего, что было известно о квантовой гравитации. Другие докторанты уже печатали свои первые статьи, тогда как у меня три года не было ни единой публикации. Меня не карьера интересовала, мне нужно было изучить и понять.
В те времена выдвигалось еще очень мало гипотез, которые бы помогли решить проблему, да и сами эти гипотезы были в зачаточной форме. Наиболее многообещающим казалось уравнение Уилера – Девитта – «полное квантовое уравнение гравитационного поля». Оно было выведено посредством комбинирования
