Розділ «5. Зернини космосу»

Сім основних уроків з фізики

Незважаючи на деякі неясності, недоробки та питання, на які досі немає відповіді, фізика, побіжний огляд якої я виклав, дає кращий опис світу, ніж будь-яка з наук. І це мало б нас цілком влаштовувати. Але ні, нам замало.

Існує парадокс у самому серці нашого розуміння фізичного світу. ХХ століття дало нам дві коштовності, про які я вже згадував: загальну теорію відносності і квантову механіку. З першої виросли космологія, астрофізика, вивчення гравітаційних хвиль, чорних дір, багато іншого. Друга – забезпечила виникнення атомної фізики, ядерної фізики, фізики елементарних частинок, фізики конденсованої матерії й багато, багато чого ще. Дві казково щедрі на подарунки теорії, на яких ґрунтуються сучасні технології і які кардинально змінили спосіб нашого життя. Але ці теорії не можуть бути правильними одночасно, принаймні в їх нинішньому прочитанні, оскільки суперечать одна одній.

Відвідує, скажімо, студент університету лекції з загальної відносності вранці, а інші – з квантової механіки – по обіді; то бідоласі можна вибачити божевільну думку, що його професори або дурні, або не спілкувались десь близько століття. Адже вранці світ існує у вигляді викривленого простору-часу, а вдень – перетворюється на плаский простір, де стрибають кванти енергії.

Парадокс у тому, що обидві теорії працюють чудово. Природа поводиться з нами, як літній рабин, що до нього прийшли двоє чоловіків, аби він розсудив їхню суперечку. Вислухавши аргументи першого, рабин каже: «Ви абсолютно праві!» Другий теж хоче бути почутим. Рабин уважно його слухає і каже: «Ви теж праві». Тим часом його дружина, почувши розмову з сусідньої кімнати, вигукує: «Але ж вони не можуть бути обоє праві!» Рабин замислюється і киває, перш ніж закінчити: «І ти теж права!»

Група фізиків-теоретиків, розкиданих по п’яти континентах, копітко працює, намагаючись вирішити проблему. Поле своєї діяльності вони називають квантовою гравітацією; предметом дослідження є пошук такої теорії, себто набору рівнянь, що насамперед створювала б цілісне уявлення про світ, за допомогою якого можна було б дати адекватне визначення поточній шизофренії.

Не вперше фізика стикається з існуванням двох успішних, але при цьому бесумнівно взаємовиключних теорій. Усі спроби синтезу винагороджені семимильними кроками вперед на шляху до нашого розуміння світу. Ньютон відкрив всесвітнє тяжіння, об’єднавши параболи Галілея з еліпсами Кеплера. Максвелл винайшов рівняння електромагнетизму – об’єднанням теорії електрики і магнетизму. Ейнштейн відкрив теорію відносності розв’язанням явного конфлікту між електромагнетизмом і механікою.

Фізик, зазвичай, тільки страшенно радий, коли знаходить конфлікт такого роду між успішними теоріями: це унікальна можливість. Хіба не можемо ми збудувати концептуальну основу для роздумів про світ, що буде сумісною з усім тим, про що ми дізналися з обох теорій?

Тут, в авангарді, за межами знання, наука стає навіть іще прекраснішою – розжарені в ковальському горні, юні, новонароджені ідеї, інтуїція, спроби. Дороги, обрані й відразу відкинуті. А який ентузіазм у спробах уявити те, чого ще ніколи ніхто не уявляв!

Двадцять років тому все огортав густий туман. Зараз видно шлях, і це вселяє ентузіазм та оптимізм. Такий шлях не один, тому не можна сказати, що задачу розв’язано. Множинність думок породжує суперечки. Але дискусія – здоровий процес: доки туман повністю не розсіявся, добре мати критичні та суперечливі думки.

Одна з найзначніших спроб вирішити проблему – напрямок досліджень під назвою «петльова квантова гравітація»; сформовано команду дослідників, що працюють у різних країнах.

Петльова квантова гравітація є спробою поєднати загальну теорію відносності та квантову механіку. Це обережна спроба, бо вона використовує тільки гіпотези, що містяться в цих теоріях, відповідно переписані, щоб зробити їх сумісними. Але наслідки радикальні: подальша модифікація наших поглядів на структуру реальності.

Ідея проста. Загальна теорія відносності вчить нас, що простір є не інертною коробкою, а чимось більш динамічним: щось на кшталт величезної рухливої мушлі равлика, у якій ми всі перебуваємо, – така от мушля, що може стискатись і скручуватись. Квантова механіка ж навчила нас, що кожне поле такого роду зроблене з квантів і має тонку зернисту структуру. Отже, фізичний простір теж зроблений з квантів.

Основним результатом петльової квантової гравітації, дійсно, є те, що простір не безмежний, не безперервний чи нескінченно подільний, але складається з так званих зерен, або атомів космосу. Вони безкінечно малі – у мільярд мільярдів разів менші за найменше атомне ядро. Теорія описує ці атоми космосу математично, надає рівняння, що визначають їхню еволюцію. Вони називаються «петлі» або «кільця», оскільки пов’язані один з одним, формують систему взаємодії, вплітаються у структуру простору, подібно до кілець майстерно сплетеної нескінченної кольчуги.

І де ж ці кванти простору? Ніде. Вони не в просторі, тому що вони самі, власне, і є простір. Простір створюється шляхом зв’язування цих окремих квантів гравітації. І знову, здається, сутність світу полягає не в об’єктах, а у взаємодії.

Це другий наслідок теорії, зате – найекстремальніший. Просто ідея безперервного космосу, що містить у собі предмети, – зникає; так само ідея простого (самозрозумілого) та відначального «часу», що плине, не зважаючи на предмети, – теж зникає. Рівняння, що описують зерна космосу і матерію, більше не містять змінної «час». Але це не означає, що все нерухомо та незмінно.

Навпаки, це означає, що ці зміни – всюдисущі, але елементарні процеси не можна упорядкувати в загальній послідовності миттєвостей. В екстремально дрібному масштабі зерен космосу танець природи не відбувається за ритмом палички єдиного диригента, в єдиному темпі: кожен процес танцює самостійно зі своїми сусідами, у своєму власному ритмі. Плин часу – внутрішній процес для світу, народжений разом зі світом, він – у взаємодії квантових подій, що, власне, становлять світ і самі є джерелом часу.

Світ, описаний теорією, все більше віддаляється від добре нам знайомого. Немає тепер простору, який містить у собі світ; і немає вже часу, коли відбуваються події. Є лише елементарні процеси, при цьому кванти простору і матерії взаємодіють між собою. Ілюзія простору і часу, що триває навколо нас, – лише розмите бачення всього цього роїння елементарних процесів; це так само, як абсолютно спокійне і чисте Альпійське озеро – насправді стрімкий танок міріад дрібнесеньких молекул води.

Розглядаючи екстремально крупним планом за допомогою надпотужного збільшувального скла передостаннє зображення нашого третього уроку, ми маємо змогу показати зернисту структуру простору:

Мал. 9

Сторінки


В нашій електронній бібліотеці ви можете безкоштовно і без реєстрації прочитати «Сім основних уроків з фізики» автора Ровеллі Карло на телефоні, Android, iPhone, iPads. Зараз ви знаходитесь в розділі „5. Зернини космосу“ на сторінці 1. Приємного читання.