На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда
Уилер первым понял, что античастицы – это просто обычные частицы, для которых стрела времени обращена вспять[28]. Античастицы должны существовать хотя бы потому, что для некоторых наблюдателей частица может выглядеть так, словно она решила прокатиться на DeLorean[29]. Частицы и античастицы – это не что-то принципиально различное. Это – две разные точки зрения.
Не случайно бозон Хиггса обладает именно такими свойствами, которые позволяют компенсировать различия, создаваемые при переходе из одной системы отсчета к другой, потому что бозон Хиггса (меня только что осенило!) не существует в окончательной реальности. Как гравитация, электромагнетизм и ядерные силы, бозон Хиггса фиктивен – мы вынуждены добавить его в наше описание реальности, чтобы обеспечить равные права для всех систем отсчета и не путать различия в представлении с различием сути.
Я поняла: это именно то, для чего нужна физика. Каждый раз, когда мы различием систем отсчета разбиваем мир на куски, физика предлагает способ, как собрать его обратно воедино. Измените направление каждой пространственной координатной оси на обратное, превращая Вселенную в ее зеркальное изображение, и физика изменится. Замените заряд частиц на противоположный, превратив все частицы в их античастицы, и физика изменится.
Обратите стрелу времени вспять, поменяв местами будущее и прошлое, и снова физика изменится. Но если произвести все эти три операции одновременно, физика остается той же. CPT-инвариантность, как называют свойство мира сохраняться при одновременном применении этих трех операций, – это прямое следствие Лоренц-инвариантности пространства-времени. Заряд, четность (знак спиральности) и время вместе сохраняют структурную эквивалентность систем отсчета и не позволяют спутать разнообразие представлений с разнообразием реальности.
СРТ-инвариантность выявила глубокую связь между структурой пространства-времени и строением материи. Всякий раз, когда я просила физиков дать определение частицы, они отвечали, что это «неприводимое представление группы Пуанкаре», что звучало получше, чем «маленький шарик». Но теперь я наконец поняла, что они имели в виду. Они имели в виду, что симметрия пространства-времени определяет все сущее в нем. Симметрия Пуанкаре – это симметрия плоского, свободного от гравитации пространства-времени специальной теории относительности, симметрия, которая обеспечивает эквивалентность инерциальных систем координат, повернутых друг относительно друга, или движущихся равномерно с разными скоростями, или смещенных друг относительно друга в пространстве. То, что мы называем «частицами», – это исходные инвариантные структуры, которые в плоском пространстве-времени никогда не исчезают при переходе из одной системы координат в другую.
Системы отсчета имеют огромное значение в физике. В теории относительности конечная величина скорости света и относительность пространства и времени означали, что у разных наблюдателей разные представления об одной и той же конечной реальности. В ньютоновской физике, где пространство было абсолютным и скорость света бесконечной, вам не надо было заботиться о различии наблюдателей, потому что они все видели одно и то же. В мире Эйнштейна вам нужны правила, чтобы сравнивать между собой различные системы отсчета, отфильтровывая артефакты ви́дения. Для чего вам понадобились диффеоморфные преобразования и преобразования Лоренца, для того же вам понадобились и калибровочные силы. В мире Эйнштейна необходимость смотреть на все с собственной точки зрения затеняет единство реальности. Физика возвращает утраченное единство. Должна возвращать. Потому что реальность не разбилась, она только такой кажется.
Внезапно мне стала ясна мораль истории с падающим карандашом. Парадигма спонтанного нарушения симметрии. Я перечитывала снова и снова: карандаш балансирует на острие, затем под действием легчайшего дуновения ветра падает, принимая одно из бесконечного числа основных состояний, окружающих его и эквивалентных в том смысле, что энергия каждого из них одна и та же и ее значение минимально – из каждого из этих состояний падать уже некуда. Но ни в одном из них уже нет изначальной вращательной симметрии вертикально стоящего карандаша – симметрия нарушена.
Теперь я поняла, что эти основные состояния – это калибровки, эталонные положения лежащего карандаша. Это точки зрения. Это означает, что в действительности карандаш никогда не падает – это только кажется, что он упал. Это представление в одной выделенной системе отсчета наблюдателя. С этой точки зрения, карандаш отбрасывает горизонтальную тень, которую мы принимаем за реальность, тень, которая не обладает изначальной вращательной симметрией. Чтобы увидеть симметрию полностью, нужно быть в положении Бога, который мог бы видеть карандаш одновременно с каждой точки, расположенной по окружности вокруг него. Поскольку это невозможно, мы вынуждены догадываться о существовании симметрии вращения с позиций нашего выделенного положения. Но мы можем сделать это, обходя по кругу на все 360 градусов наш карандаш, переходя от одной системы отсчета к другой. Обходя по кругу карандаш, мы проходим одну за другой калибровки, не забывая учитывать незначительное угловое смещение, необходимое, чтобы удерживать карандаш в поле зрения, пока мы делаем наш круговой обход. Калибровочная симметрия гарантирует, что такие преобразования систем отсчета возможны. Калибровочные силы компенсируют угловое смещение.
Вильчек предположил, что Вселенная образовалась в результате спонтанного нарушения симметрии, которой обладало ничто. Это объяснение раздражало меня, потому что это вообще не было настоящим объяснением – необходимость какого-то изначального квантового ветерка нарушала принцип Смолина, сформулированного им в качестве «первого принципа космологии»: «за пределами Вселенной ничего нет». Но если карандаш никогда по-настоящему не падает, Вселенная, может быть, никогда по-настоящему не рождалась? Может быть, это просто выглядит так отсюда, изнутри нее?
И сами по себе симметрии не нарушаются – они просто выглядят нарушенными в наших ограниченных системах отсчета, не способных объять полную симметрию конечной реальности. Если бы можно было видеть все пространство-время из некой Архимедовой точки, расположенной за пределами Вселенной, то фазы каждый волновой функции выглядели бы взаимно согласованными и был бы виден каждый угол карандаша одновременно. В мире царила бы симметрия. Силы бы исчезли. И что бы тогда осталось – инварианты? Это, как я знала, был конечный вопрос. Ответом, каким бы он ни был, является окончательная реальность.
Здесь – внутри Вселенной, под одеялом – мне остается только наблюдать вещи в кривом зеркале, в надежде воссоздать единую реальность из обманчивого разнообразия. Все равно я должна была признать, что искажения были довольно необычными. Спин, заряд, спиральность, скорость, причинно-следственная связь, масса… они все работают вместе, сохраняя реальность единой, несмотря на фрагментарность наших точек зрения, и при этом образуют наш мир. Издалека физика выглядит чрезвычайно запутанно, настолько она изобилует разными разделами и таким большим количеством произвольных параметров. Только в действительности ни один из них не является произвольным. Все они работают для достижения одной и той же цели: для того чтобы описать, как единая реальность выглядит со всех возможных точек зрения.
Это как раз то, что я люблю в физике – момент абсолютной неожиданности, когда вы вдруг осознаете: то, что, как вы думали, было одним, в действительности оказалось чем-то другим, или две вещи, которые, казалось, настолько разные, в действительности оказались просто двумя ракурсами одного и того же. Это такое приятное ощущение, которое возникает от открытия, что мир далеко не таков, каким он нам кажется.
С возрастом я признала необходимость имитировать простые поступки обыденной жизни, хотя так и не научилась совершать их как надо. Ни платить по счетам, ни готовить, ни посидеть за кофе, ни вести «малые разговоры» – ничего из перечисленного, хотя этим исчерпывается жизнь здесь, на поверхности бытия. Иногда, гуляя по улице, я чувствую, что все вокруг словно парят над землей, едва касаясь ее, а мои ноги налиты тяжестью и земля прогибается подо мной, я могу провалиться в любой момент, и я бы очень хотела провалиться под землю, но этого делать нельзя, потому что жизнь проходит здесь, на поверхности, и наше дело – держаться и не соскальзывать вниз. Случалось, что из-за этого я по несколько дней мучила себя сомнением: может быть, я чужая не только на физических конференциях и редакционных совещаниях, но и здесь, в мире, на поверхности бытия? И временами по ночам, вот так же как сегодня, я вдруг видела будто бы краем глаза очертания базовой структуры мироздания, мир за нашим миром, истину, скрытую под поверхностью. Я видела, как все идеально связано со всем остальным, как все основано на простых понятиях сингулярности и симметрии, – и это было просто чертовски красиво. «Я верю, что природа совершенна», – писал Эйнштейн. Лежа в постели в темноте, я начала понимать, что он имел в виду.
