На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

Гефтер Аманда

Я села за компьютер и написала письмо, предлагая Филу небольшую статью под заголовком «Слова на А физикам не избежать». На конференции «Наука и окончательная реальность», написала я, физик Энди Альбрехт начал свое выступление, заверив зрителей: «Я не собираюсь использовать слово, начинающееся с буквы А».

Выражениями вроде «слово на А» заменяют слово «антропный», в котором ощущается некоторый неприятный религиозный смысл, поясняла я. Как будто Вселенную кто-то создал специально и только для нас. Это верно лишь в том случае, если наша Вселенная только одна. Логика здесь точно такая же, как и в случае с планетой Земля. Наша домашняя планета находится на идеальном расстоянии от Солнца, что позволяет воде оставаться в основном в жидком состоянии. Если бы Земля

была ближе к Солнцу, то вода превратилась бы в пар, если дальше – превратилась бы в лед. Если бы Земля была единственной планетой в Солнечной системе, ее свойство обладать водой в жидком виде казалось бы нам чудом. Но если имеется целое семейство других планет, вращающихся на разных расстояниях от Солнца, то вряд ли можно считать чудом, что мы оказались на той из них, которая лучше всего подходит для жизни: мы здесь, потому что это единственное место среди множества других мест, в котором мы можем существовать. Таким же антропным отбором можно объяснить свойства Вселенной, пригодной для жизни. Цена такого объяснения – всего лишь несколько триллионов дополнительных вселенных. Но такое объяснение не всех устраивает. Физики хотят объяснить свойства Вселенной, опираясь на логическую и математическую неизбежность. Они хотят, чтобы мир был таким, каков он есть, потому что только такой мир может существовать. В противоположность этому, согласно антропному принципу, вселенные могут быть любыми.

Так что, принимая это во внимание, все попытки не упоминать «слова на А» кажутся немного странными. «В конце концов, – писала я, – именно Уилер дал свое знаменитое описание интерактивной Вселенной, и ему принадлежит вопрос: „На каком еще принципе могла быть построена познаваемая Вселенная, кроме как на принципе познаваемости?“ Уилер не верил ни в то, что Вселенная была предназначена для нас, ни в то, что она – небольшой островок в огромной мультивселенной. Он считал, что Вселенная была предназначена для наблюдателей, поскольку именно наблюдатели как-то ее создали».

Я отметила, что на этой конференции премия конкурса молодых ученых в области физики в $10 000 была вручена сотруднице Института теоретической физики «Периметр» в Канаде Фотини Маркопулу за ее работу по петлевой квантовой гравитации. В своей работе она доказывает, что космология должна описывать Вселенную так, как ее видит наблюдатель, находящийся внутри нее. В конце концов складывается впечатление, что чем глубже мы проникаем в тайны космоса, писала я, тем больше мы приближаемся к самим себе.

И я нажала «отправить».

Фил сразу же прислал ответ по электронной почте. Он пояснил, что тема антропного принципа уже поднималась на страницах журнала Scientific American, но их заинтересовала история с Фотини Маркопулу.

– Что вы знаете о петлевой квантовой гравитации? – спросил он.

Что я знала о петлевой квантовой гравитации? Чуть больше чем ничего. Я позвонила отцу и прочитала ему письмо.

– Ну, хорошо, – сказал он. – Ты все-таки попыталась.

– Попыталась? – возразила я. – Игра только начинается. Это был пробный выстрел!

– Ладно, но…

– У нас всего одна ночь, чтобы разобраться, что такое петлевая квантовая гравитация.

– Ты шутишь, – сказал он. – Почему одна ночь?

– Если я не напишу ответ завтра, то будет казаться, что я взяла тайм-аут, чтобы разобраться с этим. А все должно выглядеть так, будто я знаю про нее в совершенстве. У нас не так много времени – начинай читать и перезвони мне через несколько часов!

Как смогла, я попыталась собрать вместе все, что когда-то читала. Петлевая квантовая гравитация была попыткой объединения общей теории относительности и квантовой механики – двух столпов современной физики, каждый из которых казался достаточно надежным, но друг другу они противоречили. Только такое объединение открывало доступ к белому пятну на карте, где ничто превращается в нечто, где H-состояние становится миром. «Квантовая

гравитация нужна, чтобы понять сингулярность, – написала я в блокноте. – Понять ничто». В петлевой квантовой гравитации пространство рассматривается с минимального расстояния, чтобы увидеть природу в максимально возможном приближении и разглядеть, какие драконы там водятся.

Уже то, что у природы есть предел для масштаба длин, довольно трудно понять. У меня в голове не укладывается, как это возможно – взять крошечный кусочек пространства и увеличивать его, увеличивать, все глубже и глубже всматриваясь в него, и достичь наконец глубин, дальше отстоящих от меня, чем вся видимая часть Вселенной, и все это прямо здесь, на кончике пальца. Другая вселенная, намного большая нашей Вселенной, умещается у меня на ладони! Только так не может продолжаться вечно. На масштабе одной миллионной миллиардной миллиардной миллиардной сантиметра вы постучитесь в дно реальности. Извините, друзья, вы дошли до конца – до края Вселенной.

Пространство заканчивается на так называемом планковском масштабе, потому что здесь квантовая механика и общая теория относительности объединенными усилиями искривляют пространство-время до того, что оно рвется. Высокая плотность гравитационных сил производит море черных дыр, которые Уилер назвал «пространственно-временной пеной».

Это, на первый взгляд, противоречит интуиции: обычно, когда вы имеете дело с маленькими объектами, силы гравитации пренебрежимо малы. Сила тяжести действует на массу, и вам нужна довольно большая масса, прежде чем вы заметите притяжение. Даже на человеческом масштабе силы тяготения не очень значительны. Магнит на холодильнике, прижимая лист бумаги, перевешивает притяжение всей планеты. А для протонов и электронов сила тяжести вообще едва ли существует.

Но при дальнейшем погружении вглубь материи положение вещей, как ни странно, начинает коренным образом меняться. Законы квантовой механики содержат лазейку, позволяющую крупным флуктуациям энергии возникать прямо из вакуума, при условии, что они живут не слишком долго. На более коротких временных масштабах энергия мерцает, то возникая, то исчезая в виде флуктуаций или виртуальных частиц. Чем более локализована частица в пространстве, тем больше ее импульс, тем выше ее энергия. Благодаря соотношению E = mc² чем больше энергия, тем больше масса частицы. По мере того, как вы приближаетесь на все меньшие и меньшие расстояния, виртуальные частицы становятся все более массивными, пока, на масштабе планковской длины, гравитационная сила по своей величине не сравнивается с другими силами. Энергия вступает в свои права, и гравитационное крещендо идет вразнос, вроде как при коллапсе массивной звезды в черную дыру. На расстояниях меньших, чем планковская шкала, гравитационный разгон становится патологическим. Вселенная поедает самое себя. Реальность лопается по швам. Прошедшее и будущее перемешиваются, далекое становится близким, в пространстве-времени наступает смятение и хаос, оно растворяется и исчезает. Уравнения искрят и с шипением исчезают, математика распадается в ничто. Словом, все летит в тартарары. Это конец света.

Теория петлевой квантовой гравитации – это модель пространства на планковских масштабах, перед тем как гравитация разрывает его на куски. Ли Смолин, еще один физик, сотрудник Института «Периметр» и основоположник этой теории, понял, что ситуация могла бы стабилизироваться, если бы пространство, как и материя, было своего рода атомарной структурой. Это означает, что при попытке рассмотреть область пространства во все большем и большем увеличении вы в конце концов упретесь в тупик – мельчайшее пространственное зерно, которое не может быть разбито на части, пространственный «атом», меньше которого уже ничего быть не может. Пока размер пространственного атома больше планковской длины, говорит Смолин, сила тяжести будет оставаться под контролем. Его энергия может расти только до определенного предела, который не позволит посеять хаос и разрушения во Вселенной.